Российские ученые предложили новый метод, позволяющий на расстоянии оценить интенсивность турбулентности в атмосфере. Этот метод основан на использовании ветрового лидара — прибора, который можно будет размещать на борту самолета. Работа
поддержана грантом Российского научного фонда (РНФ). Об исследовании
сообщается в журнале Optics Express.
Турбулентность, вызывающая неоднородность состава и плотности воздушных масс, играет важную роль в безопасности полетов. Вибрации, возникающие при прохождении самолета через такие неоднородные области воздушного пространства, могут иметь катастрофические последствия. Когда на пути самолета встречаются облака, в которых, как правило, присутствует турбулентность, пилоты заранее готовятся к ней. Однако куда опаснее турбулентность ясного неба: ее никак нельзя «увидеть» издалека. Новый метод, разработанный и испытанный российскими учеными из Института оптики атмосферы имени В.Е. Зуева (ИОА) СО РАН, позволит в перспективе предупреждать такие опасные ситуации.
В основе метода лежит использование прибора под названием лидар – средства дистанционного зондирования атмосферы. Лидар посылает лазерный луч в атмосферу, этот сигнал рассеивается в ней, а затем регистрируется приемником. Характеристики сигнала помогают получить информацию о состоянии воздуха. Если радар считывает местоположение и скорость крупных объектов (например, ракет, самолетов или автомобилей), то для атмосферного лидара в качестве движущегося тела выступают аэрозольные частицы (мельчайшие твердые частицы, взвешенные в газовой среде).
«Если нас интересует температура, скорость ветра, состав воздуха, то можно, например, подвесить датчики на шары-зонды и запустить их в атмосферу. Однако в каждой точке пространства такие зонды не поставишь, особенно в России. Альтернатива этому – лидар», — объясняет ведущий автор статьи Виктор Банах, доктор физико-математических наук, заведующий лабораторией распространения волн ИОА СО РАН.
Место проведения лидарных измерений ветра – территория Байкальской астрофизической обсерватории Института солнечно-земной физики СО РАН, где расположен Большой солнечный вакуумный телескоп (БСВТ), в окрестности п. Листвянка. Измерения проводились в июле-августе 2015 и 2016 гг. Источник: Виктор Банах.
Ученые работали с допплеровским ветровым лидаром. Этот прибор определяет скорость движущегося объекта по сдвигу частоты рассеянного лазерного излучения. Однако лидар способен оценивать не только скорость ветра, но и интенсивность хаотического перемешивания аэрозольных частиц в воздухе. Именно турбулентность вызывает это перемешивание, и лидар может оценить, насколько велика ее мощность.
Эксперименты по применению лидара для выявления турбулентности проводились на западном побережье Байкала, на территории научного стационара Института солнечно-земной физики СО РАН на окраине поселка Листвянка. Рельеф местности в этом регионе, гористое побережье крупного водоема, формирует уникальные особенности атмосферы. В жаркий период здесь практически всегда реализуются условия, аналогичные тем, что возникают на высотах полета самолета, при которых возможно образование зон повышенной турбулентности вне облаков (турбулентности ясного неба).
В статье представлены результаты, иллюстрирующие способность лидара выявлять ключевые параметры турбулентных ветровых полей: кинетическую турбулентную энергию и скорость ее рассеивания. Ученые показали, что в области струйных течений, сильных и узких потоков воздуха с почти горизонтальной осью, интенсивность турбулентности уменьшается, в том числе и во время прохождения внутренних атмосферных волн, и, наоборот, возрастает при их разрушении.
«Мы доказали: если поместить лидар на борт самолета, то, послав по ходу полета лазерный луч и приняв рассеянный, можно будет заблаговременно диагностировать зону турбулентности ясного неба», — заключает Виктор Банах.
