​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.
 
Активные методы лучше
 
Еще десять лет назад в интересах РКК «Энергия» и ЦНИИмаш в институте составлялись обзоры существующих методов и приборов для изучения Земли из космоса, оценивались возможности лидаров космического базирования для измерений атмосферных параметров. Основываясь на полученных результатах, ученые предложили качественно новый, не имеющий мировых аналогов подход к обработке лидарных сигналов.
 
– С каждым годом комплекс проблем, связанных с исследованиями Арктики, изучением процессов глобального потепления и увеличения концентрации парниковых газов в атмосфере, становится все актуальнее, – поясняет Александр Суханов, старший научный сотрудник лаборатории лидарных методов ИОА СО РАН. – Для создания точных прогностических моделей климата важно оперативно и с высокой точностью измерять концентрации атмосферных газов, определять тенденции их изменения, выявлять источники и поглотители газов. Поэтому во всем мире разрабатываются различные методы регионального и глобального контроля атмо­сферных параметров.
 
По словам Александра Яковлевича, измерения концентраций парниковых газов в основном ведутся пассивными методами с использованием инструментов, регистрирующих отраженное от поверхности Земли солнечное излучение. Пример – орбитальная углеродная обсерватория NASA, один из спутников группировки «Дневной поезд» (название не случайно, поскольку такие измерения возможны лишь в дневное время). Кроме того, качественные измерения в районе полюсов средствами пассивного наблюдения осуществить проблематично по техническим причинам, а ученым принципиально важно охватить Арктический регион.
 
Поэтому предпочтительнее использовать активные измерительные системы, имеющие собственные источники излучения, например, лидары космического базирования, которые с высот 400–800 километров позволяют определять количественные характеристики парниковых газов во всей толще атмосферы Земли.
 
С использованием нейронных сетей
 
Сотрудниками ИОА СО РАН предложен перспективный метод восстановления концентраций газов по характеристикам отраженного от поверхности Земли лидарного сигнала с использованием нейронных сетей.
 
Пассивные методы измерений позволяют получать лишь усредненные данные, а томским ученым удалось совершить настоящий прорыв в решении задачи определения характеристик парниковых газов – с минимальной погрешностью рассчитать высотные профили концентрации углекислого газа и метана. Результаты исследований доктора физ.-мат. наук Геннадия Матвиенко, кандидата технических наук Александра Суханова и инженера Светланы Бабченко в прошлом году были представлены в мартовском выпуске престижного международного журнала Remote Sensing.
 
Как отметил Александр Суханов, успеху проекта способствовал скачок технологий в области нейронных сетей, что позволило применить искусственный интеллект в самых разных сферах, в том числе в области расчетов профилей концентрации углекислого газа и метана. В ходе выполнения проекта сотрудники лаборатории лидарных методов использовали наработки коллег из других лабораторий института, в частности Семена Михайленко, Бориса Воронина, Юрия Бабикова, специализирующихся на расчетах характеристик линий поглощения молекул атмосферных газов и на разработке специальных информационных систем, предоставляющих обширные массивы данных по указанным характеристикам. Кроме того, помог многолетний опыт создания атмосферных газовых и аэрозольных моделей.
 
Совместными усилиями
 
В течение 2020 года ИОА СО РАН планирует присоединиться к французско-немецкому проекту MERLIN, цель которого – измерение из космоса концентрации метана в атмосфере Земли. Что касается возможности создания лидара для активного зондирования с космической орбиты, то в институте накоплен значительный опыт разработки лидаров различных типов. Такой масштабный проект может быть реализован объединенными усилиями многих научных групп и организаций. При этом ИОА СО РАН зай­мет достойное место в проекте: передовые методы решения задач атмосферной оптики позволят получить качественно новые данные, которые будут востребованы при разработке различных климатических моделей, а также для изучения Арктики.
 
Результаты томских ученых опубликованы в престижном международном журнале Remote Sensing. Этот журнал, название которого переводится как «Дистанционное зондирование», входит в первый квартиль Web of Science, его импакт-фактор – 4,118.
 
Автор: Иван Тимофеев.

Источники

Космический лидар, искусственный интеллект и парниковые газы
Томские новости (tomsk-novosti.ru), 11/09/2020

Похожие новости

  • 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.
    670
  • 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.
    555
  • 21/09/2020

    Ученые РФ с самолета изучили атмосферу Арктических районов

    ​​​​Со 2 сентября с борта летающей лаборатории Ту-134 «Оптик» сотрудники Института оптики атмосферы им. В.Е. Зуева, Института химической кинетики и горения им. В.В. Воеводского и Научного центра вирусологии и биотехнологии «Вектор» исследовали атмосферу Арктических районов нашей страны.
    508
  • 07/10/2020

    Что покажет зеленый луч? Об исследовании турбулентности в ИОА СО РАН

    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.
    242
  • 10/03/2017

    Институт оптики атмосферы им. В.Е.Зуева СО РАН в числе победителей конкурса Лазерной ассоциации

    ​На 12-й международной специализированной выставке лазерной, оптической и оптоэлектронной техники «Фотоника. Мир лазеров и оптики-2017» подведены итоги традиционного конкурса Лазерной ассоциации на лучшую отечественную разработку в области лазерной аппаратуры и лазерно-оптических технологий.
    3116
  • 30/11/2018

    Ученые следят за воздухом в Западной Сибири

    Когда мы слышим слово «ученый», то представляем себе лабораторию и человека в белом халате, желательно с разноцветными колбами и замысловатыми приборами. Однако часто ученые работают совсем в другой обстановке, например в горах и на равнинах, в пещерах и на вулканах, на палубе корабля и на борту самолета.
    1586
  • 06/08/2020

    Николай Юркевич: экспедиция — хороший задел для проведения мониторинговых работ в будущем

    ​В июле сибирские ученые получили приглашение от компании «Норильский никель» принять участие в работах на полуострове Таймыр. Задачи, стоящие перед экспедицией — оценка текущего экологического состояния этого района и разработка концепции хозяйствования на арктических территориях.
    522
  • 13/02/2019

    В Томске разрабатывают новые метеостанции для Арктики

    ​Томские ученые планируют в 2019 году создать прототип универсальной полностью автоматизированной метеостанции для мониторинга климата в Арктике, а уже в 2020 году испытать ее и начать производство. Как будет оборудоввана новая метеостанция и какими преимуществами обладать по сравнению с зарубежными аналогами - в материале ТАСС.
    1080
  • 18/08/2020

    Сибирские физики провели эксперимент по изучению светового давления на спутниковые антенны

    ​Сотрудники Института оптики атмосферы им. В. Е. Зуева СО РАН (Томск) совместно с коллегами из АО «"Информационные спутниковые системы" им. ак. М. Ф. Решетнёва» (Железногорск) провели эксперименты по определению светового давления на конструкционные материалы спутниковых антенн при разных углах падения света.
    314
  • 17/07/2020

    СО РАН направляет в Арктику большую норильскую экспедицию

    ​​Группа ученых из Российской академии наук всесторонне изучит экологическую среду территории и представит предложения и рекомендации по наилучшим природосберегающим решениям для деятельности промышленных компаний в Арктическом регионе.
    1305