В ТГУ создали новый способ распознавания конденсационных следов в атмосфере
Ученые радиофизического факультета Томского государственного университета (ТГУ) разработали метод, позволяющий точно обнаруживать и определять характеристики конденсационных следов самолетов в атмосфере. Это поможет понять, как облака, образованные из следов самолетов, влияют на климат, и повысит точность метеопрогнозов.
Точность современных краткосрочных прогнозов погоды составляет 90–95 %. Тем не менее, нередкими остаются локальные отклонения, особенно в прогнозировании осадков. Во многом это происходит из-за недостаточной изученности ряда атмосферных процессов. Одним из таких малоизученных факторов являются облака верхнего яруса (ОВЯ). Они формируются на высотах 6–12 км и обладают значительной горизонтальной протяженностью (до тысячи километров), покрывая в разные моменты от 20 до 50 % поверхности Земли. Такие облака играют важную роль в радиационном балансе планеты, непосредственно влияющем на климат.
Следы от самолетов визуально и по своим оптическим свойствам похожи на облака верхнего яруса. Однако в большинстве климатических моделей их влияние учитывается не в полной мере. Новый подход, основанный на использовании данных высотного матричного поляризационного лидара и других источников, помогает лучше понять атмосферные процессы с участием конденсационных следов.
«Облака верхнего яруса состоят в основном из ледяных кристаллов разных размеров и формы, которые при определенных условиях имеют преимущественно горизонтальную ориентацию. Такое облако работает как зеркало — определенная часть излучения, направляющегося к поверхности Земли, не проходит сквозь это облако и возвращается обратно в космос. Тогда облако работает на выхолаживание атмосферы. С другой стороны, излучение от остывающей поверхности Земли на пути в космос также встречает эти «зеркала», что способствует парниковому эффекту», — рассказал один из авторов исследования, доцент кафедры оптико-электронных систем и дистанционного зондирования ТГУ Илья Брюханов.
По словам ученых, баланс между этими двумя процессами не до конца изучен и нельзя сказать в определенный момент времени, способствует ли облако охлаждению или нагреванию атмосферы. Кроме того, контактные приборы, работа которых основана на заборе проб исследуемой среды, не позволяют определять ориентацию частиц льда в облаках. Все это приводит к ошибкам в расчетах радиационного баланса Земли и снижает точность прогнозов погоды и климата.
Для определения ориентации ледяных частиц в ОВЯ авторы использовали высотный матричный поляризационный лидар — уникальную установку, созданную на радиофизическом факультете ТГУ. Это единственный лидар в мире, позволяющий получить в поляризационных измерениях все элементы матрицы обратного рассеяния света слоя облака. Анализируя эти элементы, можно восстановить информацию о размерах,форме и ориентации частиц в нем. Полный цикл необходимых поляризационных измерений лидар выполняет всего за две секунды, а рассеянное атмосферой излучение принимается с высот до 15 км.
Помимо лидара, для распознавания конденсационных следов самолетов радиофизики ТГУ использовали данные ADS-B мониторинга воздушного движения, радиозондирования в Новосибирске и Колпашеве, а также реанализа ERA5 Европейского центра среднесрочных прогнозов погоды (набора результатов метеорологических измерений с 1979 года, полученного из большого количества источников по всему миру: морских буев, самолетов, наземных метеостанций, радиозондов, спутников и прочего).
«До недавнего времени мы ориентировались на данные аэрологического зондирования в сети Росгидромета. По правилам Всемирной метеорологической организации, станции дважды в сутки запускают радиозонды, измеряющие параметры атмосферы: атмосферное давление, температуру воздуха и другое. Но, увы, ближайшие к Томску станции находятся в 210–240 километрах. С данными реанализа мы можем получать актуальные для нас значения метеовеличин на высотах формирования исследуемых облаков, и не дважды в сутки, а каждый час. Это дает нам возможность точнее рассчитывать параметры атмосферы и дрейфа конденсационных следов самолетов», — пояснил Илья Брюханов.
Благодаря комплексному использованию данных, ученые получили возможность идентифицировать аэрозольный слой на высоте 9–10,5 км, фиксируя следы конкретных самолетов.
Работы проводятся при поддержке грантов РНФ.