Аннотация результатов, полученных в 2015 году
В 2015 году согласно Соглашению № 15-17-10001 по теме «Оптическая дистанционная диагностика атмосферы и океана» были выполнены следующие запланированные работы и были достигнуты следующие конкретные научные результаты: 1. Проведены сбор и систематизация данных о характеристиках доступных спектральных приборов, подготовка банков данных спектральных измерений выбранных спектральных приборов и данных дополнительных измерений, необходимых для калибровки спектральных приборов, а также подготовка модели переноса излучения для выполнения расчетов в ясных условиях. 2. Выполнены расчеты радиационных характеристик атмосферы на дни измерений в ясных условиях по модели переноса излучения в атмосфере. 2. Проведены верификация ясных условий наблюдения на основе сравнения расчетов и измерений из дней с низкой бальностью облачности (по метеорологическим данным) и предварительная калибровка спектральных приборов. 3. Выполнено численное моделирование лидарного зондирования в диапазоне генерации перестраиваемого в области спектра 2 мкм параметрического генератора света (ПГС) и разработана конструкция и создана экспериментальная измерительная установка для лидарного газоанализа на основе ПГС в диапазоне 2 мкм. 4. Разработан и применен в проведенных измерениях программный пакет по восстановлению вертикальных профилей озона из данных лидарного зондирования. 5. Проведены экспериментальных исследований по установлению основных механизмов взаимодействия и филаментации мощного фемтосекундного излучения (центральная длина волны 800 нм) с водными средами различного состава. Проведена серия экспериментальных исследований распространения коллимированных и фокусированных лазерных пучков в дистиллированной и морской воде, воде с гидрозолями, глицерине. 6. Получены количественные связи между характеристиками воздействующего лазерного излучения (энергия, мощность, длительность импульса, диаметр пучка) с параметрами области филаментации (удаленность от источника, протяженность, диаметр, количество филаментов, их длина и диаметр, уширение спектра) в чистой воде и водных растворах. 7. Проведены эксперименты по взаимодействию с жидкокапельными средами лазерных импульсов гигаваттной мощности. Проведены эксперименты по исследованию свечения морского аэрозоля под действием фемтосекундных импульсов Ti:Sapphire-лазера с длинами волн 800 и 400 нм при их филаментации. Показано, что при облучении первой гармоникой наблюдается свечение линии натрия 588,9 нм, при облучении второй гармоникой возбуждается флюоресценция растворенных в морской воде органических веществ. 8. Получены спектры свечения частиц жидкокапельного морского аэрозоля в поле фемтосекундных лазерных импульсов. Изучена диаграмма направленности свечения частиц аэрозоля. 9. Проведены теоретические оценки угловых и спектральных характеристик свечения жидких микрокапель при возбуждении в них нелинейных процессов светорассеяния, таких как многофотонно-стимулированная флуоресценция и рекомбинационное излучение (флуоресценция) ионизированных областей частицы, что закладывает основы для разработки методики дистанционной фемтосекундной диагностики химического состава аэрозолей в атмосфере. Проведены теоретические исследования взаимодействия мощных ИК фемтосекундных лазерных импульсов гигаваттной мощности с одиночными миллиметровыми каплями воды. Изучены физические механизмы, приводящие к возникновению оптического пробоя внутри частиц. Ссылки на информационные ресурсы в сети Интернет: Ученые ИОА СО РАН разрабатывают приборы для диагностики состояния атмосферы и океана - http://www.рнф.рф/ru/node/1404

Аннотация результатов, полученных в 2016 году
В 2016 году согласно Соглашению № 15-17-10001 по теме «Оптическая дистанционная диагностика атмосферы и океана» были выполнены следующие запланированные работы и были достигнуты следующие конкретные научные результаты: 1. Проведена доработка метода и абсолютная калибровка спектральных приборов, осуществляемая из сравнения измеренной и рассчитанной интенсивностей в ясные дни с учетом аэрозольной оптической толщи (ОТ), измеряемой (Cimel CE318) и альбедо (MODIS). 2. Выполнены подготовка сценариев и выполнение расчетов по подготовленным сценариям облачности и ОТ аэрозоля для радиационного моделирования задач определения характеристик облачности и определения содержания газов (двуокись азота, формальдегид) в нижней тропосфере. 3. Разработан метод восстановления содержания газов (двуокись азота, формальдегид) в нижней тропосфере с учетом имеющихся данных о характеристиках облачности. 4. Проведен предварительный анализ результатов восстановления газов в нижней тропосфере, валидация результатов для двуокиси азота или формальдегида (сравнение статистик по ясным и облачным дням, сравнение со спутниками, сравнение с результатами фотохимического моделирования). 5. Разработан метод классификации облачности в период выполнения спектральных измерений и создан банк данных характеристик облачности в период выполнения спектральных измерений, полученный по новому методу. 6. Проведены численное моделирование лидарного зондирования в диапазонах генерации широкополосных источников лазерного излучения на основе ПГС и проверка в натурных условиях работоспособности экспериментальной измерительной установки для лидарного газоанализа на основе ПГС в области спектра 1.8–2.5 мкм. 7. Получены количественные связи между характеристиками воздействующего лазерного излучения (энергия, мощность, длительность импульса, диаметр пучка) с параметрами области филаментации (удаленность от источника, протяженность, диаметр, количество филаментов, их длина и диаметр, уширение спектра) в чистой воде и водных растворах. 7. Продолжены в мониторинговом режиме наблюдения за вертикальным распределением озона в тропосфере – стратосфере и проведен анализ результатов лидарного зондирования профилей озона в тропосфере – стратосфере. 8. Получены экспериментальные данные о связях начальных параметров фемтосекундных лазерных импульсов (энергия, длительность, степень фокусировки/дефокусировки, радиус апертуры пучка) и характеристик области множественной филаментации как на атмосферной трассе, так и в модельных средах (начало области филаментации, ее протяженность, распределение филаментов вдоль дистанции, структура области филаментации). 9. Получены экспериментальные данные об угловой расходимости постфиламентационных каналов в зависимости от характеристик филаментов, формируемых при различных мощностях фемтосекундных лазерных импульсов и степеней их фокусировки. Также будут установлены экспериментальные данные о дистанциях, где реализуются условия, при которых интенсивность в постфиламентационных каналах будет достаточна для возбуждения свечения мишеней в атмосфере. 10. Осуществлены теоретические расчеты постфиламентационного режима каналирования фемтосекундного лазерного излучения в воздухе. Решена задача о восстановлении конфигурации филаментов вдоль трассы. 11. На основе численных экспериментов по филаментации ультракоротких лазерных импульсов в воздухе получены данные о характеристиках постфиламентационных каналов. http://iao.ru/ru/activity/projects

Аннотация результатов, полученных в 2017 году
В 2017 согласно Соглашению № 15-17-10001 по теме «Оптическая дистанционная диагностика атмосферы и океана» были выполнены следующие запланированные работы и достигнуты следующие конкретные научные результаты: 1. Впервые на мировом уровне разработан метод определения интегрального содержания (ИС) двуокиси азота (NO2) и формальдегида (HCHO) в пограничном слое атмосферы (ПСА) по спектральным измерениям, выполняемым в облачных условиях и проанализированы ошибки восстановления ИС газов в нижней тропосфере по разработанному методу. 2. С использованием разработанного метода получены первые ряды наблюдений ИС NO2 и HCHO в ПСА в облачных условиях. Ряды получены на основе спектральных измерений с использованием созданных банков данных по расчетам модели переноса радиации в условиях облачности для определения зависимости измеряемых спектральных характеристик от параметров облачности, по данным о параметрах облачности, полученным в результате обработки спектральных данных, по метеоусловиям в период наблюдений, по данным моделирования по модели HYSPLIT. 3. Выявлены факторы, влияющие на точность восстановления и проведен анализ ошибок восстановления ИС газов. Вклад в суммарную ошибку разработанного метода определения ИС газовой примеси в ПСА вносит несколько основных факторов. Наибольший вклад в суммарную ошибку дает неопределенность параметров облачности. Следующей по значимости является ошибка определения содержания газа в наклонном столбе атмосферы. Эта ошибка оценивалась также для каждого индивидуального измерения на основе остаточного шума DOAS приближения. С учетом специфики алгоритма определения ИС двуокиси азота, к указанным ошибкам добавляется неопределенность в оценке её стратосферного содержания. Проанализированы средние суммарные ошибки индивидуального измерения ИС газа в ПСА за период 2009-2017 г.г. 4. Проведена калибровка спектральных приборов, осуществляемая из сравнения измеренной и рассчитанной интенсивностей в ясные дни с учетом аэрозольной оптической толщи, измеряемой (Cimel CE318) и альбедо (MODIS). Абсолютная калибровке спектральных измерений осуществлялась на основе сравнений результатов расчета и измерений в ясных условиях при низком содержании аэрозоля. Абсолютная калибровка прибора по интенсивности заключалась в получении калибровочного коэффициента, равного отношению измеренной прибором интенсивности рассеянного солнечного излучения к моделированной интенсивности рассеянного солнечного излучения у объектива прибора в специально отобранных условиях наблюдения, а именно периоды отсутствия облачности и малой толщи аэрозоля. 5. Проведено исследование закономерностей временной изменчивости ИС газов (формальдегида или двуокиси азота) в фоновых и загрязненных условиях. Выявлены закономерности временной изменчивости ИС формальдегида или двуокиси азота в ПСА для фоновых и загрязненных ситуаций в облачных условиях и их сравнение с безоблачными условиями. Наблюдаемое отличие данных в ясных и облачных условиях при восточных ветрах может быть обусловлено изменением при меньшей освещенности в облачных условиях скоростей химических реакций, приводящих к разрушению NO2 и HCHO, а также изменению скорости образования HCHO из предшественников, сформированных над Москвой. Выполняемые измерения представляют уникальную информацию для выявления особенностей химии малых газов в ПСА и оценки качества химически-транспортных моделей в облачных условиях. 6. С использованием модернизированной лидарной установки на основе ПГС экспериментально зарегистрированы эхо-сигналы в условиях реальной атмосферы при дискретной перестройке длины волны в ближнем ИК-диапазоне. В ходе проведения экспериментов по определению энергетических характеристик лазерной системы максимальное значение энергии импульса для диапазона длин волн 1,8…2,5 мкм достигало 23 мДж. Регистрация рассеянных сигналов с использованием фотодиодного приёмника PD36-03-TEC-PRW показывает возможность проведения экспериментальных исследований по дистанционному газоанализу атмосферы с использованием разработанного ПГС лидара в ближнем ИК-диапазоне спектра. 7. Проведен комплексный системный анализ лидарных данных с ориентаций на создание сезонных моделей распределения озона в умеренных широтах. В ходе выполнения проекта в 2017 г. были получены первые результаты одновременных измерений вертикального распределения озона (ВРО) в высотном диапазоне ~(5-45) км на длинах волн 299/341 нм и 308/353 нм с помощью лидарного комплекса, который не имеет аналогов в России и за рубежом. С целью интеркалибровки лидара в 2017 г. было выполнено сопоставление восстановленных из лидарных данных наземной системы Сибирской лидарной станции вертикальных профилей озона с профилями, полученными по данным спутникового зондирования, а также моделью Крюгера. Полученные в ходе реализации проекта в 2017 г.г. в высотном диапазоне ~(5-45) км на длинах волн 299/341 нм и 308/353 нм данные лидарного мониторинга ВРО вносят существенный вклад в создаваемые в коллективе сезонные модели распределения озона в умеренных широтах и будут дополнены в дальнейшем. 8. На натурной трассе длиной 150 м ИОА СО РАН получены экспериментальные данные по пространственному распределению плотности энергии фемтосекундного лазерного излучения тераваттной мощности в зависимости от энергии, длительности импульса, размера излучающей апертуры, параметра фокусировки. Получена информация о линейной расходимости постфиламентационных световых каналов. Явление образования постфиламентационных световых каналов в воздухе имеет чрезвычайно важное практическое значение для задач передачи лазерной энергии в атмосфере и для зондирования её состава. Данные экспериментов интерпретированы с использованием численных экспериментов, моделирующих натурные эксперименты. Получены результаты по возникновению и эволюции кольцевой структуры на несущей длине волны. 9. На основе численных экспериментов получены картины распределения плотности световой энергии в пространстве при распространении в атмосфере фемтосекундных лазерных импульсов тераваттной мощности сантиметрового и дециметрового диаметров световых пучков для длин волн от УФ до среднего ИК диапазонов длин волн. Показано, что излучение «средневолновых» ИК лазеров характеризуется наиболее протяженным участком филаментации и более широким спектром суперконтинуума по сравнению с микронным излучением. При этом четырех микронное излучение формирует при филаментации наиболее связный (пространственно) плазменный канал, а импульсы десяти микронного излучения сохраняют наиболее широкий спектральный состав в условиях сильного молекулярного поглощения атмосферы. 10. Выработаны критерии подобия эффектов множественной филаментации в модельных нелинейных средах и в воздухе. За основу взята градация нелинейных эффектов множественной филаментации с точки зрения возможности управления пространственной областью их реализации. Исследованы указанные режимы управления для сценариев реализации слабой, умеренной и сильной множественной филаментации. Для каждого из режимов найдены обобщенные энергетические и пространственные координаты, которые характеризуют их свойства. http://iao.ru/ru/activity/projects