Российские учёные из НИТУ «МИСиС», МФТИ и Института общей физики им. А. М. Прохорова РАН (ИОФ РАН) исследовали эффективность различных бесконтактных дистанционных методов измерения температуры воды методом спектрального отклика. Отчет от исследовании опубликован в журнале Optics Letters,  популярно об открытии рассказывается в сообщении пресс-служба МФТИ.

Метод бесконтактного измерения воды основан на явлении комбинационного рассеяния света. Это явление было открыто в 20-е годы прошлого века учеными из Московского государственного университета и индийскими физиками одновременно:  Л. И. Мандельштам и Г.С Ландсберг 21 февраля 1928 года обнаружили эффект комбинационного рассеяния света, а индийские учёные Ч. В. Раман и К. С. Кришнан получили линии спектра нового излучения 28 февраля 1928 года. Сейчас В зарубежной научной литературе комбинационное рассеяние носит название эффекта Рамана — по имени его открывателя, нобелевского лауреата из Индии, а исследования с использованием комбинационного рассеяния называют рамановской спектроскопией.

Суть комбинационного рассеяния света заключается в том, что световая волна, проходя через различную среды, изменяет длину волны и, следовательно, меняет свой цвет. Поэтому, изучив изменения спектрального состава, можно вычислить параметры изменившей его среды, и в том числе ее температуру.

«Дистанционное измерение температуры воды в условиях быстротекущей смены климата — очень важная задача. Однако используемые методы радиометрии допускают ошибку порядка половины градуса. Методы спектроскопии КР позволят существенно повысить точность измерений», — приводятся в сообщении слова Михаила Гришина, одного из авторов исследования, аспиранта МФТИ, сотрудника лаборатории лазерной спектроскопии Научного центра волновых исследований Института общей физики им. А. М. Прохорова РАН.

В ходе эксперимента учёные облучали воду импульсным лазером, а затем изучали рассеянный в обратном направлении свет с помощью спектрометра. В зависимости от температуры спектральная полоса КР воды изменяла форму и положение. Учёные смогли выделить достаточно точную зависимость между отдельными параметрами полосы и температурой воды с разной степенью точности: от 0,15 до 0,6 градуса Цельсия. Ученые проанализировали четыре способа обработки данных, и наиболее оптимальный из них показал точность в 0,15 градуса Цельсия. По словам пресс-службы, метод уже защищён Патентом России самими авторами.

Мониторинг температуры воды в арктическом регионе ведётся различными методами: это и установленные буи, и данные с исследовательских и торговых судов. Существуют также методы дистанционного наблюдения за динамикой температуры воды: это наблюдение с воздуха с использованием самолётов и спутников путём облучения лазером и изучения спектра. Пространственное разрешение составляет менее километра - это даёт возможность составлять очень подробные карты температуры. В свою очередь такие карты позволяют определять перенос теплоты-энергии океанскими течениями и предсказывать динамику таяния ледников для прогнозирования изменений глобального климата.

В настоящее время большее распространение получают беспилотные системы. Поэтому возникла необходимость в создании достаточно компактного и эффективного оборудования для мониторинга, которое могли бы нести на себе беспилотники. Учёные ведут работы над созданием не только программного обеспечения, но и «железной» составляющей — самой лазерной системы и системы обработки.

«Важнейшая задача дистанционного зондирования акваторий — калибровка и проверка результатов измерений со спутников с помощью различных прямых методов измерений параметров морской воды (температура, концентрация хлорофилла и т. д.). Создание и разработка автономных компактных лидарных систем, устанавливаемых на беспилотные авианосители, позволяет получать подробные карты параметров океана, а также является востребованным направлением для изучения труднодоступных или опасных объектов, например айсбергов или шельфовых ледников», - полагает Василий Леднев, ведущий эксперт кафедры сертификации и аналитического контроля НИТУ «МИСиС», один из авторов исследования.



Как полагают авторы исследованиях, предлагаемый ими метод позволяет изменять температуру в подповерхностном слое воды с высокой степенью точности, так как зондирующее излучение лазера лежит в области видимого (сине-зелёного) спектра. Используемое в настоящее время для дистанционного измерения температуры микроволновое излучение почти не проникает в толщу воды, и поэтому данные о температуре корректны лишь для поверхностного слоя толщиной до 30 микрон. Но особенность именно этого слоя в том, что он активно охлаждается сильным арктическим ветром. Волны видимого диапазона способны проникать заметно глубже, на глубину от одного до 10 метров, что позволяет практически исключить ошибку, связанную с охлаждением поверхности воды ветром. Для коррекции таких ошибок при спутниковых микроволновых измерениях необходима калибровка по данным контактных измерений с наземных станций, в то время как спектроскопия КР лишена этого недостатка и позволяет дистанционно получать информацию о температуре воды без помощи контактных измерений, отмечается в сообщении.