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

  • 03/02/2021

    Программа мероприятий, посвященных Дню российской науки

    ​Ежегодно 8 февраля российское научное сообщество отмечает свой профессиональный праздник — День российской науки. ​ По традиции к этой дате в институтах и вузах, находящихся под научно-методическим руководством Сибирского отделения РАН, приурочены научно-популярные мероприятия: дни открытых дверей, экскурсии, лекции и так далее.
    2518
  • 16/06/2021

    Как обнаружить пожары и наводнения: томские ученые рассказывают о возможностях мониторинга Земли из космоса

    ​С помощью космических снимков и их правильной расшифровки ученые Института оптики атмосферы им. В.Е. Зуева СО РАН (ИОА СО РАН) могут оперативно обнаружить лесные пожары, наводнения, пыльные бури и сделать прогноз погоды.
    552
  • 08/12/2018

    В Томске состоялась юбилейная XXV Рабочая группа «Аэрозоли Сибири»

    Проблемы, связанные с глобальным изменением окружающей среды и климата с каждым годом становятся все более актуальными, ведь они влияют на жизни миллионов людей, от климата зависит развитие экономики самых развитых стран.
    1721
  • 30/11/2020

    Комплексные экспериментальные исследования аэрозольно-газовых примесей, метеорологических, радиационных и динамических характеристик атмосферы озера Байкал

    В июле-сентябре 2020 г. в рамках выполнения темы государственного задания ИФМ СО РАН № АААА-А17-117121140006-0, проекта РНФ №19-77-20058 сотрудниками лаборатории дистанционного зондирования атмосферы (зав.
    886
  • 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.
    2244
  • 11/01/2021

    Институты и научные центры СО РАН в 2020 году: события и достижения. Часть I

    ​​Институт солнечно-земной физики СО РАН завершил строительство объекта "Оптические инструменты" в Бурятии. Академик Валерий Бухтияров прокомментировал попадание Института катализа СО РАН под санкции США.
    1218
  • 21/11/2018

    XXV рабочая группа «Аэрозоли Сибири»

    ​Проблемы, связанные с глобальным изменением окружающей среды и климата с каждым годом становятся все более актуальными, ведь они влияют на жизни миллионов людей. Рабочая группа «Аэрозоли Сибири» является одним из самых популярных российских мероприятий, посвященных данной тематике.
    2473
  • 07/07/2021

    Летающая лаборатория: что изучают на единственном в России научном воздушном судне

    ​Министр науки и высшего образования РФ Валерий Фальков п​осетил Томский Академгородок, где ознакомился с современными разработками и исследованиями.  В Институте оптики атмосферы им. В.Е. Зуева Сибирского Отделения РАН Валерию Фалькову рассказали об уникальных исследованиях, которые проводят в летающей лаборатории.
    931
  • 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.
    1037
  • 16/02/2021

    Для исследования атмосферы разработали мобильный лидар

    Ученые из Института оптики атмосферы имени В.Е. Зуева СО РАН создают первый в мире мобильный озоновый лидар для исследований влияния индустриальных выбросов на состав воздуха, наблюдения за вулканической активностью, а также изучения атмосферы Арктики.
    718