Цимлянская научная станция

В последние годы на Станции c использованием разработанной в Институте уникальной аппаратуры впервые в мире были проведены не имеющие аналогов эксперименты по исследованиям свойств турбулентной спиральности – важной характеристики турбулентности, учет которой актуален при моделировании и прогнозировании критических атмосферных явлений.

На территории Станции проводятся измерения на сети дистанционно разнесенных синхронно работающих систем акустического зондирования (содаров), обеспечивающих получение данных о ветровых профилях и  турбулентности в атмосферном пограничном слое, необходимых для создания программно алгоритмических систем прогноза опасных ветровых сдвигов и распространения примесей и выбросов. Испытываются  многоуровневые измерительные комплексы атмосферной турбулентности.

Ведутся мониторинговые непрерывные измерения ветровых и радиационных характеристик приземного слоя атмосферы, аэрозольного и газового состава, атмосферного электричества.

В весенне-летне-осенний сезоны проводятся обширные комплексные исследования турбулентности и вихревых структур, испытываются новые оригинальные методики измерения вихревых свойств атмосферы, систем зондирования атмосферы с повышенным пространственно-временным разрешением и ранней диагностики опасных атмосферных явлений.  

Цимлянская научная станция (ЦНС ИФА РАН) была создана в 1956 г академиком Александром Михайловичем Обуховым. Полигон ЦНС был задуман как «природная лаборатория» для исследования атмосферной турбулентности и ее влияния на распространение звуковых и оптических волн. Выбор места для такого полигона был не случайным. А.М. Обухов объездил на машине несколько районов Саратовской области, Ростовской области и северного Казахстана, чтобы найти подходящее место. Цимлянск оказался наилучшим вариантом по климатическим условиям и по характеру местности: плоский ландшафт с обширными степными просторами обеспечивал неискаженные ветровые потоки. При этом важным фактором являлась близость полигона к культурному районному центру с развитыми коммуникациями, необходимыми для обеспечения работы с современной электронной аппаратурой. 

Постановлением Правительства СССР от 30 августа 1955 г. Институту физики атмосферы для научных исследований был предоставлен в бессрочное пользование земельный участок площадью 45 гектаров на северо-западной окраине города Цимлянска. Позднее право бессрочного пользования было подтверждено постановлением главы администрации Цимлянского района №759 от 06 августа 2003г. 

Постепенно полигон был оборудован всем необходимым для проведения экспериментальных работ. Были построены четыре подземных блиндажа и солнечный павильон для установки научной измерительной электронной аппаратуры и выделены места для установки разборных метеорологических мачт, на которых размещаются датчики. На западном краю павильона была построена 70-метровая вышка, оборудованная 5 балконами для аппаратуры. Мачта широко использовалась в 60-х и 70-х годах при проведении измерений совместно с самолетной лабораторией, базировавшейся в Ростове. На юго-восточной, подветренной части полигона была организована центральная усадьба ЦНС размером 569 кв м. Здесь разместились электрическая подстанция, административное здание ЦНС, учебный корпус, столовая с кухней, два финских домика для научных лабораторий, складские помещения и другие хозяйственные службы, а также площадка для палаточного городка. К блиндажам и мачтовым площадкам были проложены подземные электрические кабели. На территории центральной усадьбы было высажено более двухсот деревьев, включая сосны, тополя, акации, абрикосы и вишни, которые образовали настоящий оазис, удобный для работы и проживания. 

Экспериментальные атмосферные исследования на ЦНС организованы в форме экспедиционных работ продолжительностью 1-2 месяца. За 50 лет на ЦНС было проведено около сорока летних научных экспедиций и 3 зимних экспедиции. В экспедициях участвовало по 10-30 ученых из ИФА РАН и других научных и прикладных организаций. В 1970 и в 1981 годах на ЦНС проводились две крупные международные экспедиции, в которых принимали участие ученые из США, Австралии, Канады, Германии, Польши, Чехословакии и Болгарии. В нескольких экспедициях были организованы лётные отряды, которые проводили измерения характеристик атмосферной турбулентности на высотах от 50 м до 3-х километров с борта самолета-лаборатории и вертолета, базировавшихся на Цимлянском аэродроме. На ЦНС проходили практику группы студентов из Московского государственного университета и других ВУЗов, и организовывались всесоюзные летние школы-семинары для специалистов в области физики атмосферы и метеорологии. 

На ЦНС работали такие выдающиеся ученые, как академики А.М. Обухов, Г.С. Голицын и А.С. Монин, член-корреспондент Академии наук В.И. Татарский, профессора А.М Яглом, А.С. Гурвич, Н.Ф. Еланский, доктора наук Л. Р. Цванг, Б.А. Кадер, Б.М. Копров, М.А. Каллистратова, Л.А. Дикий, В.И. Кпяцкин, И.П. Чунчузов, С.Н. Куличков, кандидаты наук А.В. Перепелкина, В.М. Бовшеверов, С.Л. Зубковский, В.П. Кухарец, С.С. Кашкаров, М.И. Мордухович. Целый ряд крупных научных результатов, признанных во всем мире, был получен именно на ЦНС. 

Среди этих результатов наиболее значимыми являются следующие: 

·      Получено экспериментальное подтверждение теории Колмогорова-Обухова для локально изотропных полей температуры и скорости ветра в условиях приземного слоя атмосферы (по измерениям на мачтах) и пограничного слоя (по измерениям с борта самолета). Эта теория является основой для понимания механизма и расчета флуктуации звуковых, радио и световых волн при их распространении а атмосфере, включая флуктуации света от звезд и других астрономических объектов. 

·      Предсказанный А.М. Обуховым 'закон 2/3' для температуры был зарегистрирован как открытие. 

·      Подтверждены выводы полуэмпирической теории приземного слоя Монина-Обухова. Эта теория является основой для понимания и расчета процессов тепло-массо-обмена между приповерхностной частью атмосферы и вышележащими слоями. Она используется также при численном прогнозе погоды, при прогнозе изменений климата, а также при расчетах концентраций загрязняющих примесей от антропогенных источников. 

·      Экспериментально в совместных измерениях с мачт и с самолетов получены профили турбулентных потоков тепла и импульса до высоты 1.5 км. Изучено влияние 'пестроты' подстилающей поверхности на процессы обмена теплом, водяным паром, озоном. 

·      Экспериментально обнаружено явление рассеяния звука на атмосферных турбулентных неоднородностях скорости ветра и температуры. Полученные данные подтвердили и уточнили теорию Обухова-Татарского рассеяния акустических и радиоволн в атмосфере, и легли - в основу современных методов зондирования нижней тропосферы с помощью звуковой локации и радиолокации. Акустические локаторы (содары) и радиолокаторы ясного неба (радары) сейчас широко применяются во всем мире для дистанционных измерений профилей скорости и направления ветра и интенсивности турбулентного перемешивания. Так например, в Объединенной Европе в законодательном порядке содары включены в информационно-измерительные системы безопасности при всех атомных станциях. Содары обеспечивают непрерывный мониторинг вертикальных профилей скорости и направления ветра и интенсивности турбулентности в нижней части тропосферы. Данные о поведении ветровых потоков и турбулентном перемешивании используются при расчетах направления распространения и концентрации радиоактивных веществ для принятия организационных решений в случае аварийных выбросов на АЭС. 

·      Исследованы закономерности дальнего распространения инфразвуковых волн, которые используются для исследований поля ветра и температуры в стратосфере, а также для разработки методов дальнего обнаружения наземных и подземных ядерных взрывов. 

·      На основании систематических исследований 80-90 годов удалось получить более детальное описание структуры приземного слоя атмосферы и учесть влияние высоты пограничного слоя на процессы вблизи поверхности. 

·      Получены первые в мире количественные данные о влиянии атмосферной турбулентности на флуктуации лазерного излучения при его распространении в атмосфере. При этом была подтверждена теория Обухова-Татарского слабых флуктуации. Кроме того были обнаружены новые, не предсказанные теорией явления: насыщение флуктуации интенсивности светового потока от лазера и усиление обратного рассеяния света в турбулентной среде. Авторы этих результатов были отмечены свидетельствами об открытиях и удостоены Государственной премии за 1974 год. Проведенные на ЦНС исследования распространения света помогли объяснить уменьшение реальной разрешающей способности крупных телескопов и разработать принципы выбора мест с наименьшими турбулентными помехами, пригодных для установки новых телескопов. Полученные закономерности позволили рассчитать пределы возможной фокусировки лазерного излучения в реальной турбулизированной атмосфере, а также способствовали разработке методов адаптивной оптики для частичной компенсации турбулентных помех в телескопах и системах лазерного наведения. 

Благодаря этим важным результатам, опубликованным на многих языках, Цимлянская научная станция хорошо известна не только российским специалистам по физике атмосферы, но и во всем мире. 

Начиная с 1990-х годов интенсивность экспедиционных работ на ЦНС несколько уменьшилась в связи с общим резким уменьшением бюджетного финансирования Российской Академии наук. Однако, и в последние годы на ЦНС проводятся экспедиции. В этих экспедициях уточняются законы турбулентного перемешивания в области крупных масштабов (где классические теории Колмогорова-Обухова и Обухова-Монина становятся неприменимыми), исследуется характеристики вихревых и спиральных движений и их связь с вариациями атмосферного давления. Исследуется влияние турбулентного перемешивания на вариации содержания озона, водяного пара и других малых примесей. С помощью акустических локаторов проводится исследование влияния ночных струйных течений в слое 100-300 м на распространение загрязняющих примесей. Результаты, полученные на ЦНС в последнее десятилетие опубликованы в престижных зарубежных и отечественных научных журналах высоко оценены мировой научной общественностью. 

В настоящее время Цимлянская научная станция ИФА РАН имеет большой потенциал как база для проведения фундаментальных и чисто прикладных исследований, а также для обучения студентов и молодых специалистов в области физики атмосферы и метеорологии. На ЦНС имеются условия для разработки и испытаний современных информационных систем обеспечения экологической безопасности. В такие системы входят разработанные в ИФА РАН акустичесие локаторы (содары), и аппаратура для измерений приземных концентраций загрязняющих примесей, включая радиоактивные вещества.