Исследователи из МФТИ вместе с коллегами из компании Samsung создали новый метод дистанционного зондирования скорости ветра, который превосходит распространенные лидарное и радарное зондирования. Исследование опубликовано в журнале Atmospheric Measurement Techniques.

Без измерений скорости ветра сегодня невозможна тонкая настройка метеорологических и климатических моделей, в том числе моделей прогноза погоды. Несмотря на существенный прогресс в дистанционном зондировании, исследовать движения воздушных масс до сих пор непросто. Большая часть данных собирается традиционными контактными методами — с помощью датчиков на метеостанциях или аэрологических шаров-зондов.

Чтобы проводить локальные измерения на дистанциях в несколько десятков или сотен метров, ученые используют лазерные или акустические анемометры. На расстояниях до десятков километров применяются метеорологические радары, однако и они, как правило, неэффективны за пределами тропосферы. Со спутников такие измерения практически не проводятся.

«Сегодня надежнее всего использовать для измерения поля скоростей ветра доплеровские радары. Однако из-за того, что для этого нужен мощный источник излучения, такие методы имеют высокую стоимость и достаточно трудно осуществимы. Мы создали прибор, который существенно выигрывает по этим параметрам — он компактный, недорогой и его можно создать с помощью элементов, находящихся в серийном производстве», — рассказывает один из авторов работы, руководитель лаборатории прикладной инфракрасной спектроскопии МФТИ Александр Родин.

Новое устройство использует принцип гетеродинной регистрации сигнала, который сегодня применяется в радиотехнике, однако работает в оптическом, точнее, ближнем инфракрасном диапазоне, на длине волны около 1,65 мкм. Принцип основан на идее смешения излучения Солнца, прошедшего сквозь атмосферу, и эталонного источника, в качестве которого используется перестраиваемый полупроводниковый лазер.

При гетеродинировании оптического излучения возникают свои сложности, например необходимо согласовать волновые фронты с очень высокой точностью, чтобы не допустить смещения пучка излучения. Исследователи решили эту проблему, использовав одномодовые оптические волокна. Для управления частотой гетеродина им пришлось модифицировать устройство, основываясь на процессах генерации излучения полупроводниковым лазером. В результате ученые создали прибор, который не имеет аналогов в мире по спектральному разрешению в ближнем инфракрасном диапазоне, — лазерный гетеродинный спектрорадиометр. Он позволил измерить инфракрасный спектр поглощения в атмосфере с рекордным для этого диапазона спектральным разрешением. Это позволило измерить скорость ветра с точностью до 3–5 м/с .

В ближайшее время исследователи планируют измерить с помощью нового прибора параметры стратосферного полярного вихря, а также концентрацию парниковых газов в российской Арктике. Кроме того, вместе с коллегами из Института космических исследований РАН на основе этого же принципа ученые создают прибор для исследования атмосферы Венеры, который в рамках международного сотрудничества будет установлен на борту индийского искусственного спутника «Шукраян».