Лаборатория турбулентности и распространения волн

Основные направления исследований:

•   
• Спутниковая радиотомография атмосферы Земли  
• Лазерно-акустический гигрометр  
• Экспериментальные исследования диффузии в приземном слое атмосферы  
• Турбулентность и внутренние волны в стратосфере по наблюдениям мерцаний звезд из космоса

Спутниковая радиотомография атмосферы Земли

Принципы дистанционного спутникового радиозондирования:

1. Использование высокостабильных сигналов навигационных спутниковых систем GPS и ГЛОНАС.

2. Прием сигналов, прошедших через атмосферу Земли, при помощи низкоорбитального спутника, оснащенного специальным приемником.

3. Измерение фазы радиосигнала позволяет определить угол рефракции радиолуча.

4. Измерения радиорефракции во время радиозахода позволяет определить вертикальное распределение температуры в районе зондирования.

Основные достоинства метода:

1. Независимость от погодных условий.

2. Прибор не требует калибровки.

3. Метод позволяет проводить измерения над всей поверхностью Земли, что существенно для долгосрочного прогноза погоды.

4. Высокое вертикальное разрешение.

Радиорефрактометрия позволяет определять температуру с точностью 1 К на высотах 10- 30 км . Для интерпретации данных измерений в нижней тропосфере (высоты до 10 км ) применяются особые методики для учета атмосферной влажности, сложной структуры метеополей и дифракционных эффектов.

Рис.1 Схема радиорефрактометрического зондирования атмосферы Земли при помощи радиосигналов навигационных спутников.

Рис.2

Рис.3

Рис.4 Пример распределения точек на земной поверхности, над которыми было проведено рефрактометрическое зондирование

Лазерно-акустический гигрометр

Принцип действия основан на измерении интенсивности звука, генерируемого при поглощении парами воды в атмосфере импульсного излучения СО-лазера. Интенсивность звука пропорциональна абсолютной влажности воздуха. В качестве приемника звука, содержащего информацию о влажности, используется конденсаторный микрофон. Макет прошел испытания в полевом эксперименте.

Рис.5 Датчик лазерно-акустического гигрометра, установленный на акустическом анемометре.

 Рис.6 Блок-схема : 1 - CO-лазер; 2 - коллиматор; 3 - модулятор; 4 - зеркало; 5 – исследуемый объем; 6 - микрофон; 7 - приемник оптического излучения; 8, 10 - усилитель; 9 – синхронный детектор; 11 – фильтр НЧ; 12 - регистратор 

Технические данные

Источник излучения ..CO-лазер.

Диапазон излучения (5.0-5.7 мкм)..

Мощность излучения 15 Вт .

Приемник 1/2" конденсаторный микрофон

Частота модуляции .16 Кгц.

Частотный диапазон .0 - 10 Гц.

Чувствительность . .0.4 г/м3 В.

Объем осреднения ..(5 х 5 х 25 ) мм

 Рис.7 Спектры турбулентных потоков влаги (1) и тепла (2), кривая (3) – спектр собственного шума ЛАГ. Звенигород 1993 г .

Экспериментальные исследования диффузии в приземном слое атмосферы

Впервые предложена и используется методика, основанная на сравнительном анализе решений уравнений диффузии и экспериментальных передаточных функций. Экспериментальные передаточные функции (Рис.1 и рис. 2), содержат информацию о теплофизических характеристиках подстилающей поверхности и структуре поля ветра и могут быть получены простыми одноточечными измерениями флуктуаций температуры поверхности и воздуха и соответствующей спектральной обработкой данных. По передаточным функциям может быть восстановлено распределение концентрации пассивной примеси в приземном слое атмосферы от наземного источника (Рис.3) без экспериментального определения вертикального профиля коэффициента переноса или привлечения каких-либо гипотез о характере его поведения. Получены оценки вклада (временной и пространственной) термической неоднородности свойств поверхности в полную дисперсию флуктуаций температуры воздуха. позволяет уточнить значения универсальной функции теории подобия для температуры (рис. 4), а также исследовать поведение универсальных спектров температуры в области малых значений волновых чисел.

Рис.8 Передаточные функции для инсоляции и температуры поверхности

Рис.9 Передаточные функции для температуры поверхности и атмосферы

Рис.10 Восстановление функцииC(t) из экспериментальной Gά (ω)

Рис.11 Универсальная функция температуры

Турбулентность и внутренние волны в стратосфере по наблюдениям мерцаний звезд из космоса

Турбулентность и внутренние волны порождают неоднородности плотности в атмосфере. При наблюдениях со спутника восходов и заходов звезд эти неоднородности приводят к случайным флуктуациям излучения звезды (мерцаниям). Метод исследования статистических параметров неоднородностей по мерцаниям звезд, наблюдаемых сквозь земную атмосферу, разработан в ИФА им. А.М. Обухова РАН проф. А.С. Гурвичем.

Характеристики бортового фотометра должны обеспечивать надежную регистрацию мерцаний ярких звезд в диапазоне высот перигеев луча от 15 км до 70 км с пространственным разрешением до одного метра. После разработки Технического задания ИФА РАН в содружестве с Балтийским государственным технологическим университетом и Ракетно-космической корпорацией «Энергия» был создан приборный космический комплекс ЭФО-2/ФБА-210. В 1996 г прибор был доставлен на борт орбитальной станции «МИР» и в течение 1996- 1999 г тремя экипажами «МИР» было проведено около 100 сеансов измерений мерцаний звезд. По совокупности технических характеристик фотометр ЭФО-2/ФБА-210 превосходит все известные в мировой научной практике космические фотометры.

Рис.12 Фотометр ЭФО-2/ФБА-210

Высота перигея луча, км

Рис.13 Пример записи фотосчета в сеансе наблюдений захода Сириуса 19.02.1999 (усреднены по 16 выборкам); внизу отдельные фрагменты записи (без осреднения).

Рис.14 Структурные характеристики колмогоровской турбулентности (слева) и насыщенных внутренних волн (справа).

Рис.15 Характерные масштабы молекулярной диссипации турбулентности (слева) и турбулентной диссипации внутренних волн (справа)

Рис.16 Скорость диссипации кинетической энергии турбулентности.