В журнале Оптического общества Applied Optics исследователи из Deutsches Zentrum fur Luft- und Raumfahrt e.V. (DLR) – немецкий национальный центр аэрокосмических, энергетических и транспортных исследований – описывает, как их лидарный прибор 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 приземный слой тропосферы, где наблюдается погода, от вышележащей стратосферы, содержащей 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.
«Способность 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 центральных проблем для нашего общества и экономики."
Получение трехмерной перспективы
Атмосферные газы могут быть оценены с помощью инструментов, запущенных в атмосферу, или данных, полученных со спутников.
Однако эти методы не смогли предоставить полную картину распределения атмосферного газа, поскольку в них либо отсутствует вертикальная составляющая, либо недостаточно высокое разрешение. Хотя инструменты, переносимые с воздушными шарами, известные как зонды с воздушными шарами, могут обеспечивать вертикальные профили с высоким разрешением, они не обеспечивают детального временного разрешения и могут использоваться только на выбранных участках.
Чтобы решить эти проблемы, исследователи разработали лидарную систему, которая использует лазерный свет для одновременного измерения озона и водяного пара.
Их подход, называемый лидаром дифференциального поглощения (DIAL), использует две немного разные длины волны УФ-излучения для измерения каждого газа. УФ-излучение на одной длине волны в основном поглощается молекулами газа, в то время как большая часть другой длины волны отражается. Измерение отношения УФ-сигналов, возвращающихся из атмосферы, позволяет рассчитать подробный газовый профиль.
Газовые профили, созданные с помощью новой лидарной системы, демонстрируют вертикальное разрешение около 250 метров и горизонтальное разрешение около 10 километров ниже траектории полета самолета.
«Эта вертикальная возможность является значительным достижением в изучении обменных процессов в тропопаузе», – сказал Фикс. "Это помогает преодолеть значительные недостатки в разрешении мелкомасштабного распределения, которые затрудняют понимание процессов, ответственных за обмен в тропопаузе."
Достижение энергоэффективности
Чтобы выполнить этот метод на борту самолета, исследователи использовали высокоэффективный параметрический осциллятор (OPO), который они ранее разработали для преобразования лазерного излучения в длины волн УФ-излучения, 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 соответствует точности баллонных зондов.
В 2017 году исследователи запустили новую систему в рамках миссии волнового изоэнтропического обмена (WISE), которая включала в себя несколько дальних полетов над Северной Атлантикой и Северной Европой. Они обнаружили, что прибор работал замечательно, оставался стабильным во время использования и мог измерять характерное распределение озона и водяного пара в тропопаузе.
Исследователи планируют проанализировать новые данные о вертикальных компонентах, полученные в ходе WISE, и интегрировать их в климатические модели.
Они планируют использовать этот инструмент для сбора данных об атмосферном газе во время будущих полетов.