Где рождается наука, как ученые меняют привычные представления о природе? В стенах лабораторий, в ходе экспериментов! Иногда для этого необходим целый полигон, оборудованный комплексом научных приборов. Именно о таком мы и расскажем сегодня. Итак, научная экскурсия на базовый экспериментальный комплекс ИОА СО РАН, где исследуют турбулентность. 

Портрет атмосферы 

Самым идеальным местом для изучения турбулентности и ее воздействия на лазерное излучение является степь, найти такое в нашем регионе – не самая простая задача. Долгое время первый институтский полигон находился за Томью, в районе Тимирязевского. Как рассказывает Виктор Банах, научный руководитель лаборатории распространения волн, он был организован в 1969–1971 годах пионерами института – Р. Ш. Цвыком, А. Ф. Жуковым, В. В. Покасовым, А. И. Петровым под руководством С. С. Хмелевцова, заведующего лабораторией оптики случайно неоднородных сред, из которой впоследствии выросли несколько лабораторий современного отделения распространения оптических волн ИОА СО РАН. 

Тот, первый полигон обладал прекрасными условиями для исследований, здесь было возможно организовать оптические трассы протяженностью до нескольких километров на местности, идеально подходящей для измерений параметров атмо­сферной турбулентности. Потом городские власти предложили перенести полигон на новое место и помогли это сделать. Вот уже более десяти лет ученые ИОА СО РАН ведут свои исследования на базе стационара, находящегося в районе дачного поселка Заварзино. 

Первое, что видит глаз, это так называемая трасса, которая похожа на небольшую взлетно-посадочную полосу. Ее длина меньше, чем на первом полигоне, полкилометра, однако этого достаточно для проводимых измерений. Рядом находятся десятиметровая и трехметровая мачты с акустическими анемометрами. С помощью анемометров ведутся измерения скорости ветра и температуры воздуха с высокой, до 80 Герц, частотой, что поз­воляет отслеживать быстрые, вызываемые турбулентностью флуктуации этих величин в атмосфере. 

На территории стационара установлен доплеровский лидар для дистанционного измерения скорости ветра. Принцип работы лидара основан на регистрации доплеровского смещения частоты лазерного излучения, рассеянного находящимися в атмосфере аэрозольными частицами, движущимися со скоростью ветра. Чем больше скорость ветра, тем больше скорость частиц, тем больше регистрируемый доплеровский сдвиг частоты. Высота зондирования зависит от концентрации аэрозольных частиц в атмосфере. В обычных, как говорят, фоновых условиях лидар поз­воляет измерять скорость ветра до высоты немного больше одного километра. Но в летнее время, в период лесных пожаров, когда концентрация рассеивающих частиц возрастает из-за дыма, потолок зондирования становится выше. Например, в июле прошлого года он достигал трех километров. Использование другого прибора, температурного спектрорадиометра, позволяет измерять температуру на высотах до километра. 

Все эти приборы не требуют присутствия человека, работают автономно в непрерывном режиме, но, чтобы извлекать нужную информацию, им нужен интеллект, сценарий измерений. И вот здесь-то без людей не обойтись, эту задачу решают в лаборатории высококлассные профессионалы, известные в мире специалисты Игорь Смалихо, Андрей Фалиц и Артем Сухарев. В итоге ученые создают температурно-ветровой «портрет» пограничного слоя атмосферы, визуализируют его изменения во времени, определяют условия возникновения и развития турбулентности. 

– Это сложное физическое явление еще в недостаточной степени изучено, и важно найти ответы на целый ряд вопросов, которые позволят лучше понять его природу, – подчеркнул Виктор Арсентьевич. 

Дом для лазера 

На краю полигона находится небольшой домик, в котором располагается лазерный стенд, созданный и совершенствуемый сотрудниками лаборатории распространения волн. С его помощью ученые изучают, как турбулентность влияет на распространение лазерных пучков в атмосфере и каким образом можно минимизировать возникающие из-за турбулентности искажения пучка. Экспериментаторы старший инженер Евгений Гордеев и аспирант Василий Кусков порой ведут измерения круглосуточно, и в ночной темноте хорошо видно, что лазерный луч – очень красивого зеленого цвета. При распространении света в атмо­сфере пучок искажается не только из-за турбулентности, но и из-за несовершенства (аберраций) оптических элементов: зеркал, призм, пластин, которые используются для формирования из выходящего из лазера излучения узконаправленных световых пучков. Поэтому стенд снабжен уникальной системой коррекции этих аберраций по обратно рассеянному излучению. Наилучшие результаты получаются в определенных атмосферных условиях, например, туманы и дожди мешают коррекции, а вот сильный мороз можно назвать хорошей погодой. 

Исследования ветровой турбулентности, струйных течений, внутренних гравитационных волн в атмосфере необходимы в том числе для разработки средств дистанционной визуализации атмо­сферных явлений, представляющих опасность для летательных аппаратов. 

Волны ветра 

Для экспериментального изучения атмосферных явлений, редко регистрируемых на территории Томской области, в последние годы проводятся экспедиции на Байкал. Прежде всего ученых интересуют малоизученные процессы внезапного возникновения областей повышенной турбулентности в условиях устойчивого состояния атмосферы. Следует пояснить, что принято выделять три состояния атмосферы: безразличное, когда температура снижается с высотой на один градус каждые сто метров; устойчивое, когда температура с высотой уменьшается меньше чем на один градус каждые сто метров; и, наконец, неустойчивое состояние атмо­сферы, когда температура с высотой уменьшается больше чем на один градус каждые сто метров и прогретые внизу массы воздуха, как более легкие, устремляются вверх, а верхние, холодные, опускаются вниз. 

С состоянием неустойчивости связаны ливни, грозы, шквалистый ветер и тому подобное. Так называемая болтанка самолета возникает из-за мощных вертикальных потоков воздуха, чаще днем, когда развивается значительная неустойчивость вследствие прогрева нижнего слоя воздуха. Однако это ожидаемая опасность, и экипаж может заблаговременно принять решение обойти грозовой фронт. Другое дело – турбулентность ясного неба, ведь она невидима, но не менее опасна. Возникает турбулентность ясного неба в условиях устойчивого состояния. И если в Томске устойчивое состояние атмосферы наблюдается в основном только в ночные часы и не каждый день, то в прибрежной зоне Байкала, где проводятся экспедиции, в летнее время такие условия реализуются круглосуточно. 

– Для устойчивого состояния атмосферы характерно образование струйных течений, внутренних атмосферных гравитационных волн. Турбулентность во время таких явлений изучена слабо. Нам удалось при выполнении проекта, поддержанного РНФ, разработать методы лидарной визуализации ветровых структур, турбулентных и волновых процессов в пограничном слое атмосферы, определить амплитуды и период волновых осцилляций компонент скорости ветра, вызываемых гравитационными волнами, параметры ветровой турбулентности в области струйных течений – отметил Виктор Банах. ​

В марте полученные результаты были представлены в высокорейтинговом журнале Remote Sensing, который входит в первый квартиль Web of Science. Позади лето, и мы уверены, что это был удачный полевой сезон для ученых, что им удалось собрать новый материал для дальнейших исследований. 

Автор: Ольга Булгакова 
Фото: Алексей Вшивков 

Источники

Что покажет зеленый луч?
Томские новости (tomsk-novosti.ru), 02/10/2020

Похожие новости

  • 18/02/2019

    Сибирские лидары чувствуют взрывчатку на расстоянии 50 метров

    ​Молодые физики из Томска разработали лазерные локаторы с большим антитеррористическим потенциалом: приборы способны незаметно определять взрывчатые вещества по их мельчайшим фрагментам и успешно прошли испытания на железнодорожных вокзалах.
    911
  • 22/04/2019

    Томская область представит Россию на Science Slam в Геттингене

    ​Сотрудник Института оптики атмосферы имени В.Е. Зуева ТНЦ СО РАН Анна Еремина прошла конкурсный отбор и стала одним из двух представителей России на втором германо-российско-американском Science Slam.
    871
  • 05/03/2020

    Нет такой сферы в науке, где бы не было женщин

    ​Во все времена женщины занимались наукой — даже тогда, когда общество это не поощряло. Однако с каждым годом ситуация меняется, и в науке становится всё больше женщин. Так, в Сибирском отделении РАН их можно найти на всех административных и научных позициях.
    658
  • 25/05/2017

    Ученые выяснили, как гнус мешает работе оптических приборов

    ​Ученые томского Института оптики атмосферы имени В.Е. Зуева СО РАН выяснили, что летом в Западной Сибири гнус в значительной степени влияет на прозрачность приземного слоя атмосферы и может существенно снизить эффективность работы оптических приборов в видимой и инфракрасной областях спектра.
    1639
  • 31/07/2020

    Лидары космического, наземного и мобильного размещения

    В прошлом номере «Томские новости» писали о молодом ученом из Института оптики атмосферы, руководителе лаборатории атмосферной радиации Александре Коношонкине, который рассчитал математическую модель для исследования перистых облаков.
    539
  • 27/11/2019

    Сибирские ученые разрабатывают новые технологии для очистки воды

    ​Сотрудники лаборатории инженерной экологии Байкальского института природопользования СО РАН (Улан-Удэ) создают комбинированные методы для очистки сточных и других вод. Эти методы основаны на применении окислительных реакций с использованием физически стимулированных процессов.
    655
  • 18/10/2019

    Все началось с небольшой лаборатории: первый академический институт в Томске отметил 50-летие

    ​Институт оптики атмосферы СО РАН отметил 50-летний юбилей. С него началась история академической науки в области. 17 октября в томском Академгородке прошло торжественное собрание коллектива.
    599
  • 22/07/2020

    Молодые иркутские ученые получили гранты Президентской программы Российского научного фонда

    В начале июля Российский научный фонд подвел итоги конкурса Президентской программы по направлению «Проведение инициативных исследований молодыми учеными». Среди победителей четверо иркутских исследователей.
    592
  • 16/09/2020

    Космический лидар, искусственный интеллект и парниковые газы

    ​В Институте оптики атмосферы им. В. Е. Зуева СО РАН группой ученых созданы алгоритмы и программы, позволяющие с помощью нейронных сетей эффективно решать задачи дистанционного определения концентраций парниковых газов с космических платформ.
    279
  • 01/03/2018

    Томские физики создали миниатюрные голубые струи и красные спрайты

    ​Сотрудники Института сильноточной электроники СО РАН описали открытое и воспроизведенное ими в лабораторных условиях явление апокампа — формирование голубых и красных струй плазмы, возникающих на изгибе канала импульсно-периодического электрического разряда в различных газах.
    1428