Розроблено оптичний датчик для радіозондів на базі нового ефекту. Він з високою точністю вимірює висоту верхньої межі хмар та інші параметри хмарності
Поліпшення якості прогнозів погоди і кліматичних досліджень вимагає підвищення достовірності вимірювань параметрів атмосфери. Зараз вони вимірюються різними приладами. Причому, як правило, для кожного параметра існують незалежні методи перевірки точності вимірювань.
Однак для таких ключових параметрів, як наявність хмарності в атмосфері і висота її верхньої межі, методи перевірки достовірності за незалежними даними часто відсутні. Адже від хмарності залежить радіаційний баланс - різниця між поглиненою земною поверхнею випромінюванням Сонця і випроміненим назад. Можна сказати, що це визначає нагрів приземного шару атмосфери і, як наслідок, значною мірою характер процесів у ньому.
Основне джерело даних про хмарність - це супутники. Крім них, інфопмацію дають метеорологічні радари, радіозонди і наземні метеостанції. Однак метеорологічний радар бачить тільки хмари з опадами. Радіозонд обладнаний датчиком вологості, але при однаковій вологості хмарність може і бути присутньою, і відсутньою. Дані ж наземних метеостанцій уривчасті і суб'єктивні.
Супутник реєструє випромінювання в різних діапазонах: мікрохвильовому, інфрачервоному та оптичному. На першому етапі він виявляє хмарність за даними видимого діапазону і робить так звану «хмарну маску», тобто виділяє частини зображення, де присутні хмари. Потім на хмарну маску накладаються дані про температуру за інфрачервоними вимірюваннями, і розраховується висота верхньої межі хмарності. Точність такого виміру - близько одного кілометра, що для низької хмарності можна порівняти з її товщиною. Проблема в тому, що в полярних районах і взимку в середніх широтах у видимому діапазоні білі хмари губляться на тлі білого снігу, особливо під час полярної ночі в Арктиці. Тому в цих умовах хмарну маску побудувати складно, виникає дуже багато помилок, ймовірність виявлення хмарності стає близько 60%. А низька надійність вимірювань в арктичній зоні погіршує якість прогнозу погоди і в середніх широтах.
Для усунення помилок потрібно проводити безперервний контроль супутникових вимірювань, бажано контактними методами. Фахівці з МФТІ та Центральної аерологічної обсерваторії (ЦАО) розробили для цього оптичний датчик нового типу, який буде встановлюватися на стандартний радіозонд. Він може з високою точністю виявляти хмарний покрив, вимірювати висоту верхньої межі хмар з точністю 50 метрів, визначати присутність частинок опадів у хмарах і висоту кордону між тропосферою і стратосферою. Причому, використовуючи інфрачервоне випромінювання, це можна робити і вдень, і вночі.
Те, що хмарне середовище відрізняється від безхмарної атмосфери оптичними властивостями, відомо давно. Однак прилади для оптичних вимірювань досить складні і коштують дуже дорого, а радіозонд - одноразовий апарат. Тому вирішальними факторами для застосування в метеорології нового датчика служать простота його використання і низька вартість.
Дослідники виявили, що у найпростішого оптичного датчика на базі звичайного фотодіоду величина дисперсії сигналу (характеристика того, як різні довжини хвиль поширюються в середовищі) різко змінюється при перетині верхньої межі хмарності. Природа ефекту ще повністю не пояснена, але він вже дозволив виявляти хмарність і вимірювати висоту її верхньої межі. Крім того, величина дисперсії сигналу залежить від наявності частинок опадів у хмарах. При їх відсутності дисперсія незмінна по всій товщині хмари, а при їх наявності вона зменшується до нуля на відстані 600-800 метрів від верхньої межі хмари. Це дозволяє здійснити контроль якості роботи датчика вологості радіозонду. На даний момент інших подібних методів поки не існує. Також розроблений датчик дозволяє оцінити висотну залежність загасання видимого світла в атмосфері, що дає можливість виміряти висоту кордону між тропосферою і стратосферою, а, значить, висоту шару аерозолю в атмосфері (шару, що містить дрібні частинки твердих тіл і рідин).
Для перевірки працездатності датчика дослідники провели порівняння даних про висоту верхньої межі хмарності, отриманих зондом, з вимірами з борту спеціалізованого літака. Стаття про результати роботи опублікована в Journal of Atmospheric and Oceanic Technology. Вони сприятимуть збільшенню точності прогнозу погоди і достовірності кліматичних досліджень. Крім того, результати цієї роботи можна використовувати для калібрування супутникових каналів зв'язку.
За матеріалами прес-релізу МФТІ