В России предложен особо точный метод слежения за потеплением в Арктике

Российские учёные из НИТУ "МИСиС", МФТИ и РАН предложили использовать комбинационное рассеивание для удалённого отслеживания температур нагревающихся морских вод Арктики. Использование бесконтактных методов не только упростит и удешевит сбор данных о потеплении в этой части страны, но и позволит получить представление о том, как изменяется температура морской воды с глубиной. Соответствующая статья была опубликована в журнале Optics Letters.

Комбинационное рассеяние (КР) было открыто в 1920-е годы. Его суть в том, что при прохождении через среду световые волны рассеиваются, а получающееся при этом рассеянное излучение имеет слегка другую длину волны — то есть другой цвет. Комбинационное рассеяние часто называют эффектом Рамана, а исследования с использованием комбинационного рассеяния называют рамановской спектроскопией.

В ходе эксперимента учёные облучали воду импульсным лазером, а затем изучали рассеянный ею в обратном направлении свет с помощью спектрометра. В зависимости от температуры спектральная полоса комбинационного рассеяния воды изменяла свою форму и положение.

Учёным необходимо было проверить, можно ли выделить достаточно точную зависимость между отдельными параметрами полосы и температурой воды. В результате опыта была выявлена такая зависимость, но с разной степенью точности — ошибка колебалась от 0,15 до 0,6 градуса Цельсия. Статистический анализ данных эксперимента показал, что наименьшая ошибка была для связи именно между длиной волны максимума огибающей ОН-полосы и температурой. Именно этот метод бесконтактного измерения температуры морской воды и был запатентован авторами работы.

Рамановское рассеяние.

— Используемые методы радиометрии допускают ошибку порядка половины градуса. Методы спектроскопии КР позволят существенно повысить точность измерений, — утверждает Михаил Гришин, один из авторов работы.

Среднегодовые изменения температуры Мирового океана очень малы: пока он теплеет на одну десятую градуса в десятилетие. В то же время за один сезон его температура может меняться на несколько градусов. Измеряя с ошибкой даже в полградуса, можно получить совершенно неверное представление о переносе теплоты-энергии. Более высокая точность нового метода достигается за счёт того, что он использует волны видимого света в сине-зелёном диапазоне ("цвет моря"). Такие волны лучше чем радио и микроволны проникают в толщу воды. Существующие методы с иной длиной волны получают данные лишь о температуре верхнего миллиметра поверхности воды. Если в момент наблюдений дует ветер, слой охлаждается и дистанционная радиометрия показывает температуру ниже, чем есть на самом деле.

Сейчас существуют и методы более точные, чем радиометрия, — например буи, данные с исследовательских и торговых судов. Однако судов в этой части мира мало, а буи недёшевы. К тому же частота передачи данных от них не очень частая. В реальном времени и на поверхности океанов следить за температурой по этой причине невозможно.

Новый метод слежения позволяет наблюдение с воздуха, с использованием самолётов, дронов и спутников. Они будут облучать лазером воду и анализировать спектр отражённого излучения. При этом пространственное разрешение составляемой температурной карты будет менее километра, что даёт возможность делать их очень подробными и по ним определять перенос теплоты океанскими течениями. Так можно будет предсказывать скорость таяния ледников и то, с какой скоростью меняются температурные условия в том или ином регионе. Это крайне важно для нормальной эксплуатации нефтегазовых месторождений: при потеплении инфраструктура в условиях вечной мерзлоты может испытывать серьёзные проблемы.

Сейчас учёные ведут работы над созданием не только программного обеспечения, но и "железной" составляющей — самих лазерных систем и системы обработки получаемых таким образом спектров.