Luftbårent termometer til at måle arktiske temperaturer

Russiske videnskabsmænd har sammenlignet effektiviteten af ​​adskillige teknikker til fjerndetektion af vandtemperatur baseret på laserspektroskopi og evalueret forskellige tilgange til fortolkning af spektralprofiler. Papiret om undersøgelsen blev offentliggjort i Optik bogstaver . Forskerne undersøgte fire databehandlingsteknikker ved at trække på de relevante analyser i tidligere publikationer. Teknikken, som forfatterne selv tidligere har udviklet, var præcis op til 0,15 grader celsius. Forskningsresultaterne vil understøtte yderligere udvikling af fjernmålingsløsninger for havoverfladetemperatur, gør det muligt for forskere at holde styr på termiske energistrømme i svært tilgængelige områder såsom den arktiske region, hvor gennemsnitstemperaturerne stiger cirka dobbelt så hurtigt, som de er andre steder på kloden.

I deres undersøgelse, forskerne fokuserede på Raman-spektroskopi, som er baseret på fænomenet Raman-spredning opdaget i 1920'erne. Det involverer interaktionen mellem et medium og en lysbølge:Det spredte lys moduleres af mediets molekylære vibrationer, hvilket resulterer i, at bølgelængderne af nogle af fotonerne forskydes; med andre ord, noget af det spredte lys ændrer farve. Raman spredning, og i forlængelse heraf, inden for Raman-spektroskopi, blev opkaldt efter Sir C. V. Raman, en indisk fysiker, der blev tildelt en Nobelpris for opdagelsen af ​​denne effekt. Interessant nok, Russisk videnskabelig litteratur har en tendens til at henvise til det samme fænomen som "kombinationsspredning, "et udtryk opfundet for at understrege dets uafhængige opdagelse af sovjetiske forskere.

"Med klimaændringer så hurtigt, fjernmåling af vandtemperatur er en prioritet, men de radiometriteknikker, der i øjeblikket anvendes, er kun præcise op til omkring en halv grad. Raman-spektroskopi muliggør målinger med en meget større præcision, " hævder Mikhail Grishin, en af ​​forfatterne til undersøgelsen, en ph.d. studerende på MIPT, og en forsker ved Laser Spectroscopy Laboratory i Wave Research Center ved GPI.

Eksperimentet udført af forskerne involverede at sondere vand med en pulserende laser og bruge et spektrometer til at analysere lyset, der blev spredt tilbage. Afhængig af vandtemperaturen, dets karakteristiske OH-strækvibrationer spektralbånd blev variabelt transformeret. Forskerne skulle finde ud af, om det var muligt at etablere en klar sammenhæng mellem vandtemperaturen og en af ​​spektralbåndsparametrene.

Forskerne undersøgte temperaturafhængigheden af ​​flere spektralbåndparametre, dvs., visse dele af området under grafen (se fig. 1), differentialspektre (resultatet af subtraktion af to spektre), og placeringen af ​​toppen af ​​kurven, der passer til båndspektret. Selvom det viste sig muligt at etablere en sammenhæng mellem vandtemperatur og hver af de ovennævnte metrikker, den estimerede temperaturmålingsnøjagtighed af de respektive teknikker varierede. Statistisk analyse af eksperimentelle data viste, at temperaturafhængighed var mest udtalt, når den bølgelængde, der svarer til toppen af ​​kurven, der passer til båndspektret, blev brugt som metrik. Forskerne fik patent på den tilsvarende tilgang til spektralprofilfortolkning af det russiske patentkontor.

Havvandstemperaturer i Arktis overvåges i øjeblikket ved hjælp af en række teknikker, herunder direkte målinger foretaget af vejrbøjer og handels- eller forskningsfartøjer. Imidlertid, at spore temperaturdynamikken i havoverfladevand i realtid og over store områder, det er nødvendigt at foretage luftobservationer ved hjælp af sensorudstyr installeret på fly eller satellitter som bestråler vandet med en laser og opsamler det spredte lys. En rumlig opløsning på mindre end en kilometer gør det muligt for forskere at lave meget detaljerede temperaturkort, der kan bruges til at overvåge overførsel af varme fra havstrømme, forudsige, hvor hurtigt arktisk is kommer til at smelte, og lave en global klimaforandringer. Efterhånden som ubemandede luftfartøjer (UAV'er) bliver bedre, fjernmålingsudstyr bør også forbedres for at være mere præcist, letvægts, kompakt, og energieffektive. Forskerne udvikler både softwaren og laserdetektorsystemet.

Vasily Lednev, en af ​​forfatterne til undersøgelsen, en førende ekspert ved afdelingen for certificering og analytisk kontrol af NUST MISiS, fortalte os, hvordan han ser fremtiden for denne forskning:"En af de vigtigste forhindringer for fjernmåling af havoverfladen er nødvendigheden af ​​at kalibrere udstyr og verificere satellitmålingsresultater mod kontaktmålinger af havvandsparametre (temperatur, klorofyl koncentration, etc.). Udviklingen og designet af kompakte autonome lidar-systemer (laserradar), der kan monteres på UAV'er, vil gøre os i stand til at få detaljerede søkort med en række vandparametre. Disse lidar-systemer er også af umiddelbar interesse for studiet af svært tilgængelige og farlige genstande som isbjerge eller ishylder."

De gennemsnitlige årlige ændringer i temperaturen i verdenshavene har tendens til at være meget små. Det varmes i øjeblikket op med en tiendedel af en grad hvert 10. år, mens sæsonbestemte temperaturvariationer kan udgøre flere grader. Dette betyder, at en fejl på kun en halv grad vil forårsage et betydeligt fald i præcisionen af ​​det samlede billede af opnået temperaturdynamik. Ved sæsonbestemte målinger, usikkerheden kan nå op på 20 procent eller mere, mens langsigtede klimatendenser kan forblive uidentificerede på grund af målefejlen.

De fjernmålingstermometre, der i øjeblikket er i brug, fungerer i mikrobølgespektralområdet. Raman-spredningsspektrometri har en væsentlig fordel i forhold til mikrobølgeradiometri, idet den sonderende laserstråling falder ind i den synlige (blå-grønne) del af spektret. I modsætning til mikrobølgestråling, hvor vandet er næsten helt uigennemsigtigt, synligt lys kan trænge ind i et lag vand, der er 1-10 meter tykt. Med mikrobølgesensor, dataene er kun tilgængelige for det 30 mikron tykke overfladelag, hvis temperatur er væsentligt påvirket af de kolde arktiske vinde. Dette giver anledning til en fejl, hvilket næsten helt undgås i målinger baseret på Raman-spredning. For at rette fejl af denne art, satellitbaserede mikrobølgeradiometre skal kalibreres mod jordbaserede målinger. Derimod Raman-spektrometri står ikke over for denne hindring og kan producere nyttige data uafhængigt af kontaktobservationer.