Исследователи разработали систему на основе лазера, которую можно использовать для бортовых измерений важных атмосферных газов с беспрецедентной точностью и разрешением. Возможность собирать эти данные поможет ученым лучше понять, как эти атмосферные газы влияют на климат, и поможет улучшить прогнозы изменения климата.
В журнале Optical Society Applied Optics исследователи из Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e. V. (DLR) - Немецкий национальный центр аэрокосмических, энергетических и транспортных исследований - описывают, как их лидар использовался на борту самолета для получения первых одновременных измерений вертикальной структуры водяного пара и озона в тропопаузной области атмосферы. Исследователи говорят, что новая система может быть даже полезна для мониторинга атмосферных газов из космоса.
Тропопауза отделяет поверхностный слой тропосферы, где происходит погода, от вышележащей стратосферы, которая содержит озоновый слой, защищающий жизнь на Земле от вредного излучения. Ученые хотят изучать водяной пар и озон в тропопаузе, потому что распределение этих атмосферных газов в этом слое играет решающую роль в климате Земли.
«Возможность обнаруживать вертикальную структуру водяного пара и озона имеет решающее значение для понимания обмена этими атмосферными газами между тропосферой и стратосферой», - сказал Андреас Фикс, возглавлявший исследовательскую группу.«Эти измерения могут помочь нам выявить ошибки и неопределенности в климатических моделях, которые помогут улучшить прогнозы будущего климата, что является одной из основных проблем для нашего общества и экономики».
Получение трехмерной перспективы
Атмосферные газы можно оценивать с помощью приборов, запущенных в атмосферу, или с помощью данных, полученных со спутников. Однако эти методы не смогли дать полной картины газораспределения в атмосфере, потому что они либо не имеют вертикальной составляющей, либо не обеспечивают достаточно высокого разрешения. Хотя приборы, переносимые с аэростатами, известные как зонды-баллоны, могут обеспечивать вертикальные профили с высоким разрешением, они не обеспечивают подробного временного разрешения и могут использоваться только в определенных местах.
Чтобы решить эти проблемы, исследователи разработали лидарную систему, которая использует лазерный свет для одновременного измерения озона и водяного пара. Их подход, называемый лидаром с дифференциальным поглощением (DIAL), использует две слегка отличающиеся длины волны УФ-излучения для измерения каждого газа. УФ-излучение на одной длине волны в основном поглощается молекулами газа, тогда как большая часть другой длины волны отражается. Измерение соотношения УФ-сигналов, возвращающихся из атмосферы, позволяет рассчитать подробный газовый профиль.
Газовые профили, созданные с помощью новой лидарной системы, имеют разрешение по вертикали около 250 метров и разрешение по горизонтали около 10 километров ниже траектории полета самолета.
«Эта вертикальная возможность является значительным достижением в изучении обменных процессов в тропопаузе», - сказал Фикс. «Это помогает преодолеть существенные недостатки в разрешении мелкомасштабного распределения, которые затрудняют понимание процессов, ответственных за обмен в тропопаузе».
Достижение энергоэффективности
Для выполнения этого метода на борту самолета исследователи использовали высокоэффективный оптический параметрический генератор (OPO), который они ранее разработали для преобразования выходного сигнала лазера в УФ-длины волн, необходимые для измерения водяного пара и озона.«Преобразование должно быть очень энергоэффективным, чтобы генерировать УФ-излучение с адекватной энергией импульса и высокой средней мощностью из ограниченной энергии, доступной на борту самолета», - пояснил Фикс.
Испытания новой лидарной системы показали, что ее точность не уступает точности аэростатных зондов. В 2017 году исследователи запустили новую систему в рамках миссии по изоэнтропическому обмену (WISE), которая включала в себя несколько дальних полетов над Северной Атлантикой и Северной Европой. Они обнаружили, что прибор работал очень хорошо, оставался стабильным во время использования и мог измерять характерное распределение озона и водяного пара в тропопаузе..
Исследователи планируют проанализировать новые данные вертикальной составляющей, полученные во время WISE, и интегрировать их в климатические модели. Они планируют использовать этот прибор для сбора данных об атмосферных газах на борту будущих полетов.