Аннотация результатов, полученных в 2022 году
В рамках выполнения проекта был создан новый тип фотоприемного модуля, позволяющий осуществлять регистрацию лидарных сигналов в ближней ИК области спектра с высокой помехозащищенностью и в широком динамическом диапазоне. Данные преимущества по сравнению с известными аналогами были достигнуты за счет таких конструктивных решений, как использование блочной структуры элементов внутри модуля, с пространственным разнесением функциональных узлов с импульсными элементами относительно аналогового тракта, а также реализованной возможности регулировки напряжения смещения фотодиода, за счет чего стало возможным принимать без искажений сигналы как с ближних, так и с дальних дистанций. Разработанный фотоприемный модуль прошел успешные тестовые испытания в составе лидара «ЛОЗА-А2». Создана двухкоординатная сканирующая поворотная платформа для размещения на ней лидара «ЛОЗА-А2», благодаря чему реализована возможность получения информации о пространственно-временном распределении концентрации аэрозольных примесей в атмосфере, в реальном масштабе времени и с высокой точностью определения положения. Благодаря использованию позиционных бесконтактных магнитных датчиков с цифровым контроллером для определения углового положения в горизонтальной и вертикальной плоскостях, точность позиционирования сканирующей платформы составляет 1 угловую минуту. Получены результаты тестовых испытаний модернизированного сканирующего лидара, которые доказывают эффективность использования реализованных в лидарной системе технических решений, даже в сложных экспедиционных условиях эксплуатации. Проведен анализ накопленных ранее многолетних лидарных данных, который позволил выявить особенности формирования и переноса вертикальной структуры аэрозольных полей атмосферы в горной котловине озера Байкал, связанные со спецификой сложных механизмов циркуляции воздушных потоков над данной территорией. В частности, получены количественные оценки взаимосвязи аэрозольных слоев на различных высотах. Рассчитанные по данным лидарных измерений высотные автокорреляционные матрицы показали, что в атмосфере над озером наблюдается единый механизм формирования аэрозольных слоев до высот 1000 м, в случаях устойчивой общей синоптической ситуации. Также, на основе методики двухточечного временного корреляционного анализа, получены оценки времени переноса атмосферных неоднородностей между точками расположения двух лидаров на разных высотах, от приземного слоя до средней тропосферы. При сохранении общего направления переноса, время переноса атмосферных неоднородностей на разных высотах может отличаться на несколько минут. Данный факт подтверждает необходимость учета влияния локальных особенностей ветрового режима, при прогнозировании изменения метеопараметров атмосферы в условиях Байкальской котловины. На основе полученных в ходе выполнения проекта результатов работы были опубликованы научные статьи в рецензируемых российских и зарубежных изданиях, а также сделаны доклады на научных конференциях различного уровня.

Аннотация результатов, полученных в 2023 году
В рамках выполнения проекта был модифицирован метод восстановления оптических и микрофизических характеристик атмосферы, на основе данных многочастотного зондирования. За счет усовершенствования конструкции лидара был расширен набор восстанавливаемых параметров, благодаря регистрации сигналов в широком спектре длин волн от видимой до ближней ИК-области. Сигналы упругого рассеяния принимаются на длинах волн излучения 1064 нм и 532 нм в аналоговом режиме работы систем регистрации. По мимо упругих сигналов, в экспериментах проводимых в темное время суток дополнительно были задействованы каналы приема колебательной компоненты спектра рамановского сигнала на длине волны 607 нм и чисто вращательной компоненты спектра рамановского сигнала на длине волны 530 нм, работающие в режиме счета фотонов. На длине волны 532 нм осуществляются поляризационные измерения. Увеличенный технический потенциал модернизированной многочастотной лидарной системы способствовал повышению информативности проводимых исследований, позволяя восстанавливать из экспериментальных данных оптические и микроструктурные параметры атмосферного аэрозоля в большем высотном диапазоне и с меньшими погрешностями. В ходе работы было разработано программное обеспечение для получения, обработки и хранения лидарных данных непосредственно во время проведения измерений. С использованием графической среды разработки приложений LabVIEW создана программа, которая в режиме реального времени позволяет осуществлять визуализацию лидарных сигналов во время экспериментов, а также накапливать и записывать на компьютер данные зондирования, полученные одновременно на нескольких длин волн излучения, в аналоговом режиме и в режиме счета фотонов. Дополнительным программным приложением непосредственно во время эксперимента осуществляется оценка направления и скорости переноса атмосферных аэрозольных неоднородностей, попадающих в поле зрения лидарной системы, с использованием корреляционной методики слежения за движущимися объектами. Обновленная методика обработки лидарных данных, а также созданное новое программное обеспечение были успешно апробированы в ходе проведения экспедиции на озеро Байкал с использованием технических возможностей лидара «ЛОЗА-А2». Для систематизации накопленных данных о результатах осуществляемых на Байкале исследований была создана программа позволяющая визуализировать собранную информацию о суточном ходе изменения пространственно-временной структуры аэрозоля в атмосфере, об изменении метеопараметров в атмосфере во время проведения экспериментов, об общей синоптической ситуации в регионе проведения исследований, о траекториях обратного переноса на высотах основных наблюдаемых аэрозольных слоев и данные космического лидара CALIOP. Реализованный в ходе работы над проектом комплексный подход позволяет выявлять метеорологические условия и физические факторы, определяющие формирование и трансформацию вертикальной структуры атмосферного аэрозоля в условиях горного окружения и наличия большой относительно холодной поверхности воды озера. Также это позволяет устанавливать основные источники происхождения загрязняющих примесей, попадающих в атмосферу над Байкалом. За счет одновременного использования экспериментальных данных об изменении метеопараметров непосредственно в приземном слое и данных полученных на основе численных моделей прогноза о состояния атмосферы на высотах от приземного слоя до тропопаузы, были исследованы типичные пространственно-временные структуры распределения аэрозоля в атмосфере и их связь с направлением перемещения воздушных потоков над Байкалом. Установлено, что при преобладающем в месте наблюдения юго-восточном направление ветра, действующим вдоль берега, наблюдается характерная суточная динамика пограничного слоя с развитием слоя перемешивания при дневном прогреве поверхности, а при заносе воздушных масс с запада, сформированных над относительно холодной поверхностью озера, преобладает слоистая структура без выраженного пограничного слоя. На основе экспериментальных данных лидарных измерений рассчитаны оптико-микрофизические параметры атмосферы над Байкалом в фоновых условиях наблюдений и экстремальные периоды, связанные с лесными пожарами. Установлено, что в летних фоновых условиях распределение вертикальной структуры аэрозоля в нижней тропосфере над Байкалом часто представляет собой некоторое устойчивое высотное разделение на ряд аэрозольных слоев, толщиной от десятков до сотен метров. Выделяются следующие высотные диапазоны: 0–400, 400–500, 500–1000, 1000–1500 и 1500–2000 м. Высота планетарного пограничного слоя 2500-3000 м. Еще одной особенностью, связанной с температурно-ветровым режимом котловины озера, является наблюдаемый по лидарным данным дневной ход изменения высоты аэрозольных слоев в атмосфере над Байкалом, включая максимальную высоту заполнения, когда по мере дневного прогрева воздуха не происходит подъема аэрозоля пограничного слоя в вышележащие слои. Наоборот, за счет смены направления ветра аэрозоль постепенно начинает опускаться к земле. Холодный воздух, приходящий с озера не дает аэрозолю подниматься выше. Ослабляется интенсивность турбулентного перемешивания. Скорость осаждения слоев на различных высотах составляет порядка 100-200 м в час. В ходе проведенных лидарных экспериментов в экстремальных условиях, связанных с лесными пожарами в Сибири, были показаны процессы заполнения дымовым аэрозолем атмосферы над Байкалом. Дымовые примеси, попадая в горную котловину, увлекаются действием местных ветровых потоков и формируют сложную многослойную высотно-временную структуру. Из-за наличия в атмосфере над Байкалом температурных инверсий аэрозольные примеси начинают накапливаться под инверсионными слоями. Более крупные частицы дыма постепенно осаждаются в нижележащие слои атмосферы и попадают на поверхность озера, тем самым загрязняя его. Благодаря проведенному анализу вертикальных профилей степени деполяризации от аэрозольных слоев на различных высотах, сделаны оценки микроструктуры аэрозольных дымовых шлейфов. Наблюдения в условиях лесных пожаров были разделены на два типа, в зависимости от удаленности очагов возгорания от места наблюдений. Первый тип наблюдений относится к ситуациям, когда аэрозольные шлейфы регистрировались от локальных лесных пожаров в пределах акватории озера. Второй тип наблюдений, это когда источники примесей расположены на значительном удалении от места измерений. Показаны основные различия в структуре и микро-физических параметрах наблюдаемых дымовых шлейфов. На основе полученных в ходе выполнения результатов работы второго этапа проекта было подготовлено и опубликовано две статьи в рецензируемых зарубежных научных изданиях, индексируемых в базах данных Web of Science и Scopus, одна из которых входит в квартиль Q1. Также результаты работы по проекту были представлены на международных научных конференциях различного уровня. В ходе выполнения проекта предложено новое техническое решение, планируемое к реализации в разработанных лидарных системах и предназначенное для расширения высотного диапазона проводимых лидарных исследований, а также для обеспечения жесткости конструкции лидара эксплуатируемого в сложных экспедиционных условиях. Реализация такого решения позволит осуществлять регистрацию лидарных сигналов в непосредственной близости от лидара. Такие измерения являются перспективными с точки зрения сопоставления данных дистанционного зондирования, с данными локальных контактных приборов, расположенных рядом с лидаром. Кроме того, это обеспечит высокую устойчивость взаимной юстировки оптических осей системы в условиях внешних механических воздействий. На данное оригинальное техническое решение подана заявка на полезную модель РФ. Результаты работы по проекту в том числе представлены на информационных ресурсах в сети Интернет, например, на новостном портале «InScience.News». Публикация «Дым над водой: ученые оценили влияние лесных пожаров на атмосферу Байкала», от 20 октября 2023 г. (https://inscience.news/ru/article/russian-science/uchenye-ocinili-vliyanie-lesnyh-pozharov-grantmon).