Forskere præsenterer ny metode til fjernmåling af atmosfærisk dynamik

Fysikere fra Moskva Institut for Fysik og Teknologi har udviklet en ny metode til fjernmåling af vindhastigheder. Det kan supplere de udbredte lidar- og radarsensorteknikker. Bladet er udgivet i Atmosfæriske måleteknikker .

Vindhastighedsmålinger er afgørende for mange applikationer. For eksempel, assimilering af disse data er påkrævet for at finjustere klimatologiske og meteorologiske modeller, inklusive dem, der bruges til vejrudsigt. På trods af de fremskridt, der er gjort inden for teledetektion gennem de seneste årtier, måling af luftmassers bevægelse er stadig en udfordring. De fleste af dataene indsamles ved hjælp af traditionelle kontaktmetoder:via sensorer installeret på vejrstationer eller pejleballoner. Lidar- eller sonar-anemometre bruges almindeligvis til lokale målinger i afstande på flere hundrede meter eller mindre. Vejrradarer kan hjælpe på afstande på op til snesevis af kilometer. Imidlertid, sidstnævnte er normalt ineffektive uden for troposfæren - Jordens nærmeste atmosfæriske lag, som er 10 til 18 kilometer tyk. Satellitbaserede direkte målinger af luftmassers bevægelse er sjældne, kun lejlighedsvise eksperimenter er blevet udført.

"Oplysninger om atmosfærisk dynamik er stadig ret svære at få gennem direkte observationer. Fra i dag, den mest pålidelige måde at fjernmåle vindhastigheder på er at bruge Doppler-radarer. Denne teknik indebærer at sondere miljøet med en kraftig strålingskilde og kræver derfor betydelige ressourcer, inklusive strøm, udstyrs masse, størrelse, og omkostninger. Vores instrument tilbyder en fordel med hensyn til disse parametre:Det er kompakt, billig, og involverer kommercielle komponenter, der er tilgængelige på telemarkedet, " sagde undersøgelsens hovedforfatter Alexander Rodin, der leder Applied Infrared Spectroscopy Lab ved MIPT.

Instrumentet er baseret på princippet om heterodyn detektion, grundlaget for mange radiotekniske applikationer. Imidlertid, det skal bemærkes, at instrumentet fungerer i den optiske, eller for at være mere præcis, det nære infrarøde område - ved en bølgelængde på 1,65 mikrometer. Driftsprincippet er baseret på at kombinere det modtagne signal (i dette tilfælde, solstråling, der er passeret gennem atmosfæren) og en etalon-kilde (lokaloscillator), nemlig en afstembar diodelaser. Da lovene for elektromagnetisk bølgeudbredelse er de samme for alle spektralområder, princippet om heterodyning gælder lige så godt for både radiosignaler og infrarød stråling.

Imidlertid, heterodyning står over for visse vanskeligheder, hvis det anvendes på det optiske område. For eksempel, meget nøjagtig matchning af bølgefronter er påkrævet, da forskydning med selv en brøkdel af en bølgelængde er uacceptabel. MIPT-teamet brugte en simpel løsning, anvendelse af en single-mode optisk fiber.

En yderligere udfordring er behovet for ekstremt præcis frekvensstyring af lokaloscillatoren, med en fejl på højst 1 MHz, en lille mængde sammenlignet med den optiske strålingsfrekvens. For at løse dette, holdet var nødt til at anvende en vanskelig tilgang og dykke dybt ned i processerne for diodelaser-emission. Disse bestræbelser har resulteret i et nyt instrument - et eksperimentelt laser heterodyne spektroradiometer - karakteriseret ved en hidtil uset spektral opløsning i det nære infrarøde område. Den måler det infrarøde atmosfæriske absorptionsspektrum med en ultrahøj spektral opløsning, gør det muligt at hente vindhastigheder med en nøjagtighed på 3 til 5 meter i sekundet.

"At bygge et instrument, selv med rekordkarakteristika, er kun halvdelen af ​​historien, " sagde Rodin. "For at hente vindhastighed i forskellige højder op til stratosfæren ved hjælp af de målte spektre, du har brug for en speciel algoritme, der løser det omvendte problem."

"Vi besluttede ikke at bruge maskinlæring, men at implementere en klassisk tilgang baseret på Tikhonov-regularisering. På trods af at denne metode har været kendt i mere end et halvt århundrede, det er meget brugt over hele verden, og dens muligheder er langt fra udtømt, " sagde videnskabsmanden.

Beregningerne vil muliggøre lodret vindprofilsøgning fra overfladen op til omkring 50 kilometer. Baseret på det relativt enkle og overkommelige spektroradiometer, i fremtiden kan man skabe omfattende netværk til atmosfærisk overvågning.

The Applied Infrared Spectroscopy Lab ved MIPT planlægger at gennemføre en observationskampagne for at måle stratosfærens polære hvirvel samt drivhusgaskoncentrationen i det russiske Arktis med deres nyudviklede instrument. Ud over det, i samarbejde med det russiske videnskabsakademis rumforskningsinstitut, laboratoriet er ved at udvikle et instrument til studier af Venus atmosfære baseret på samme princip. Instrumentet vil blive installeret ombord på Indiens Venus orbiter inden for rammerne af internationalt samarbejde.