Лаборатория интегрированных систем диагностики атмосферы и гидросферы
Руководитель: Капустин Иван Александрович, кандидат физ.-мат. наук, заведующий лабораторией
Научный коллектив:
1. Капустин Иван Александрович, кандидат физико-математических наук, заведующий научно-исследовательской лабораторией
2. Бажилова Ева Вячеславовна, лаборант-исследователь
3. Вьюгин Павел Николаевич, лаборант-исследователь
4. Даниличева Ольга Аркадьевна, младший научный сотрудник
5. Доброхотов Владимир Андреевич, младший научный сотрудник
6. Доброхотова Дарья Васильевна, младший научный сотрудник
7. Ермаков Станислав Александрович, доктор физико-математических наук, главный научный сотрудник
8. Ермошкин Алексей Валерьевич, кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник
9. Калинина Вера Игоревна, кандидат физико-математических наук, научный сотрудник
10. Козлов Александр Владимирович, лаборант-исследователь
11. Куликов Михаил Юрьевич, кандидат физико-математических наук, ведущий научный сотрудник
12. Лещев Георгий Владимирович, техник
13. Малов Степан Александрович, лаборант-исследователь
14. Микрюков Петр Андреевич, научный сотрудник
15. Николенко Андрей Сергеевич, младший научный сотрудник
16. Попыкина Алена Петровна, лаборант-исследователь
17. Сарафанов Федор Георгиевич, младший научный сотрудник
18. Селезнев Алексей Федорович, младший научный сотрудник
19. Сергиевская Ирина Андреевна, кандидат физико-математических наук, ведущий научный сотрудник
20. Сидоров Кирилл Андреевич, младший научный сотрудник
21. Скалыга Наталья Константиновна, научный сотрудник
22. Смирнова Мария Валерьевна, кандидат технических наук, научный сотрудник
23. Тарасов Сергей Владимирович, кандидат физико-математических наук, научный сотрудник
24. Фейгин Александр Маркович, доктор физико-математических наук, главный научный сотрудник
25. Хазанов Григорий Ефимович, младший научный сотрудник
26. Хилько Александр Иванович, доктор физико-математических наук, ведущий научный сотрудник
27. Хилько Антон Александрович, кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник
28. Чубаров Алексей Георгиевич, лаборант-исследователь
29. Шаталина Мария Викторовна, кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник
30. Шомина Ольга Владимировна, младший научный сотрудник
Основные научные направления:
Разработка и комплексирование новых методов и средств диагностики атмосферы и гидросферы. Исследования в области дистанционного зондирования различных явлений и процессов, происходящих в океане и атмосфере.
Цели научных исследований:
– разработка новых комплексных радиофизических методов дистанционного зондирования атмосферы и гидросферы;
– экспериментальная апробация разработанных методов, оценка их работоспособности и эффективности по данным контролируемых натурных экспериментов;
– обеспечение подготовки высококвалифицированных специалистов в области дистанционного зондирования природных сред.
Задачи:
– Разработка и тестирование моделей функционирования акустических антенных решеток в реалистичной морской акватории.
– Исследование особенностей трансформации спектров поверхностного ветрового волнения в поле различных приповерхностных процессов, а также проявление этих особенностей в сигналах различных комплексных систем дистанционного зондирования.
– Исследование вклада токов коронирования в общий баланс электрических токов и зарядов в атмосфере. Исследование особенностей суши и водной (морской) поверхности с точки зрения механизмов развития электрических процессов и их вклада в токовый баланс.
– Разработка статистически обоснованных методов восстановления пространственно-временных распределений химически активных примесей и основных параметров средней атмосферы, не доступных прямому измерению, по данным наземного микроволнового зондирования данной области атмосферы в сочетании со специально разработанными фотохимическими моделями различной сложности.
Основные значимые результаты (по годам):
2020
1) Сформулированы и обоснованы требования к построению системы оперативного контроля свойств подводного звукового канала. В рамках лучевого приближения разработаны модели сигналов, отраженных донными слоями, и ревербераций на дне и поверхности океанического волновода. Установлена требуемая мощность источника, при котором интенсивность сигналов, отраженных отдельными слоями, превышает интенсивность аддитивного шума. Предложены новые функционалы невязки, различные варианты обобщающих функционалов невязки на основе алгоритма AMUSIC и нейроноподобная свертка сигналов для решения обратной задачи о значениях параметров донных слоев при сейсмоакустическом зондировании морского дна в рамках лучевого приближения. Методом стохастического моделирования исследована устойчивость используемых целевых функций.
2) С помощью численного моделирования проведено исследование влияния аэрозольной нагрузки на протекание конвективных явлений. По результатам численного моделирования найдены характерные свойства облаков, создающих приземное увеличение потока частиц, в частности наблюдаемое на Исследовательской станции Арагац: двухслойная структура с нижним слоем из частиц снежной крупы и верхним слоем из частиц снега. Развито аналитическое описание динамики лавин релятивистских электронов, приводящих к явлению приземного увеличения потока энергичных частиц. Разработана методика оценки распределения электрического заряда и поля в облаке, основанная на связи величины электрического поля и коэффициента увеличения потока энергичных частиц относительно фонового значения.
В лабораторных экспериментах проведены детальные измерения СВЧ излучения разряда, возникающего в облаке заряженного водного аэрозоля. Показано, что наибольшей амплитудой обладают всплески СВЧ излучения с частотным спектром в диапазоне до 10 ГГц, порождаемые встречными вспышками стримерных корон между электродом привязки и заряженным аэрозольным облаком. Исследованы особенности развития электрических процессов над сушей и морской поверхностью. Выполнены оценки вклада электрических процессов, связанных с коронированием, в процессы формирования электрической структуры облака, для разных типов подстилающей поверхности. На основе исследования условий развития коронного разряда в атмосфере даны предварительные оценки вклада токов коронирования в общий баланс электрических токов и зарядов в атмосфере.
3) Разработана концепция комплексной измерительной системы спектров ветрового волнения. Предложена и апробирована в ходе лабораторного эксперимента методика совместных радиолокационных, оптических, акустических и контактных измерений спектров ветрового поверхностного волнения. В ходе лабораторных экспериментов получено, что результаты акустических измерений орбитальных скоростей в поверхностных волнах и оптических и контактных волнографических измерений высот волн находятся в хорошем соответствии и дополняют друг друга, давая возможность верификации радиолокационных измерений волновых скоростей, с учетом ограничения акустического излучателя, связанного с уровнем его заглубления. В ходе натурных экспериментов в акватории Горьковского водохранилища исследованы эффекты проявления зон выхода газа на водную поверхность и показана принципиальная возможность их детектирования средствами дистанционного зондирования. Зафиксированы вариации удельной эффективной площади рассеяния в области интенсивного выхода пузырьков газа относительно фоновой поверхности воды при различных скоростях приводного ветра; предложены алгоритмы определения и определены РЛ контрасты области и их зависимости от скорости ветра. Показано, что при слабом ветре (до 3 м/с) отличительной особенностью области выхода газа является повышенная по сравнению с фоном шероховатость поверхности воды в этой области, с ростом скорости ветра РЛ контраст уменьшается, а граница области выхода газа становится более резкой; при этом за областью выхода газа возникает слик, а контраст вдоль радиуса обзора становится «знакопеременным».
4) Разработаны методы статистического, основанного на теореме Байеса, восстановления неизвестных динамических переменных и констант реакций фотохимической модели по зашумленным временным рядам экспериментальных данных, в том числе, с учетом неоднозначности введения априорных ограничений, определяемых условием фотохимического равновесия их концентраций и критерием выполнения этого условия. В качестве примера метод применен для восстановления пространственно-временных распределений ночных концентраций O(1D) в области мезопаузы (80-105 км) по данным спутниковых измерений SABER/TIMED за 2003-2005 гг. Полученные результаты показывают, что среднемесячные и среднегодовые ночные концентрации O(1D) на этих высотах могут достигать 300 см-3 и 200 см-3 соответственно. Таким образом, ночные концентрации O(1D) сравнимы с дневными концентрациями этой компоненты, так что процессы с участием ночного O(1D) могут заметно влиять на химический и тепловой баланс области мезопаузы.
2021
1) На основе моделирования процессов формирования аддитивных шумов моря и поверхностных ревербераций, приходящих на приемную фазированную антенную решетку, помещенную в случайно-неоднородный флуктуирующий океанический волновод, показано, что вклад различных областей поверхности моря существенно различен. Наибольший вклад принадлежит областям мелководья, сосредоточенным вблизи излучающей и приемной антенн.
Исследованы возможности наблюдения малоразмерных рассеивающих объектов методом акустического наблюдения с помощью пространственно разнесенных вертикальных решеток излучателей и приемников. Показано, что эффективность акустического наблюдения объектов значительно увеличивается при согласованной с волноводом фокусировке. Построенная модель позволяет развить систему имитационного наблюдения донных объектов и структуры дна при импульсном зондировании сложными сигналами с использованием протяженных вертикальных и горизонтальных излучающих решеток, включающую модели реверберационных помех.
В ходе полевых испытаний осуществлена проверка работоспособности приемно-излучающего комплекса для когерентного зондирования водной толщи мелководных районов морских акваторий, а также исследования структуры дна. Проверка ширины полосы излучения показала возможность генерации сложномодулированных широкополосных импульсных сигналов в диапазоне частот от 200 до 5000 Гц и наличие резонансных частот излучателя на частотах 330 Гц и 4440 Гц. На последующих этапах будет проведен ряд мероприятий по улучшению взаимодействия составных частей используемого приемно-излучающего комплекса и проведены новые натурные эксперименты в акватории Горьковского водохранилища.
Разработана экспериментальная установка для проведения экспериментов в лабораторном бассейне по зондированию дна. Исследована диаграмма направленности излучателя при возбуждении импульсов в полосе от 150 до 250 кГц в различных проекциях. Целью эксперимента является изучение реверберационных помех и физическое моделирование экспериментов по когерентному зондированию дна в лабораторном бассейне с использованием различных моделей донных слоев.
2) В рамках исследования региональной специфики конвективных явлений и сопровождающих их процессов атмосферного электричества решена задача верификации моделирования состояния атмосферы с применением данных метеорадара. Разработанная методика верификации характеризует достоверность воспроизведения в моделировании общей структуры и эволюции конвективного явления, учитывая систематические ошибки моделирования и измерений. С помощью разработанного метода проанализированы результаты моделирования, полученные с учётом аэрозольной нагрузки разной величины и типа. Исследовано влияние концентрации аэрозолей на образование водных частиц в составе облака и формирование его электрической структуры.
Теоретически исследованы статистические характеристики флуктуаций яркостной температуры и электрического поля для облаков с разным уровнем электризации. Показано, что спектральные плотности флуктуаций этих величин в рассматриваемом диапазоне частот достаточно хорошо соответствуют результатам натурных измерений, при этом частицы осадков в облаках можно рассматривать как пассивную примесь, а движение неоднородностей в плотности частиц можно описать теорией Колмогорова.
Выполнены оценки вклада электрических процессов, связанных с коронированием, в процессы формирования электрической структуры облака, для разных типов подстилающей поверхности (сушей и морем). Показано, что при средних скоростях ветра концентрация положительных ионов превышает концентрацию отрицательных ионов, при высоких скоростях ветра концентрации полярных ионов сравниваются. Кроме того, для положительных ионов проявляется увеличение концентрации ионов при росте электрического поля, у отрицательных ионов такая зависимость не прослеживается.
3) Разработана феноменологическая модель модуляции коротких ветровых волн и обратного радиолокационного рассеяния в Ка-диапазоне за счет внутренних волн в присутствии пленок ПАВ. Проведены лабораторные исследования модуляции концентрации ПАВ и обратного радиолокационного рассеяния в поле орбитальных течений ВВ в резонансном и нерезонансном случаях. Теоретически и в экспериментах было показано, что ПАВ при резонансе были сильно сопоставимы с нерезонансными случаями, концентрирования ПАВ на впадинах ВВ или на задних склонах ВВ. Установлено, что обратное радиолокационное рассеяние в Ка-диапазоне уменьшается при нанесении пленки на воду, а радиолокационный контраст увеличивается с ростом концентрации ПАВ и, на практике, не зависит от того, реализованы ли резонансные или нерезонансные условия.
Показано, что радиолокационная модуляционная передаточная функция практически не зависит от концентрации ПАВ для нерезонансного случая, но сильно увеличивается с концентрацией при резонансе. Результаты были объяснены различными механизмами модуляции для этих двух случаев. Показано, что разработанная модель модуляции согласуется с экспериментальными результатами. Исследованный в данной работе механизм сильной (каскадной) модуляции микроволнового обратного радиолокационного рассеяния Ка-диапазона очень важен для правильной интерпретации проявления ВВ на радиолокационных изображениях морской поверхности.
Проведено полномасштабное моделирование и дистанционное зондирование областей газовых выходов в реальных морских условиях. Выявлены особенности их проявления в структуре поверхностного волнения. Получены новые данные наблюдений газовых выходов в реальной акватории моря и выявлены и исследованы их основные физические информативные характеристики для задач дистанционного зондирования.
4) Исследована выполнимость условий дневного фотохимического равновесия концентраций семейств НОх и Ох на высотах 50-80 км. Показано, что существуют достаточно широкие диапазоны высот и локальных времен, в которых концентрации этих семейств можно считать находящимися в равновесии с точностью лучше 10% и использовать соответствующие алгебраические уравнения для восстановления плохо измеряемых малых примесей мезосферы, оценки качества данных измерений или уточнения констант фотохимических реакций. Построены и протестированы количественные критерии выполнимости этих условий, удобные для практического использования.
Основные значимые публикации:
1. Ermakov, S.A.; Sergievskaya, I.A.; Kapustin, I.A. Strong Modulation of Short Wind Waves and Ka-Band Radar Return Due to Internal Waves in the Presence of Surface Films. Theory and Experiment. Remote Sens. 2021, 13, 2462. https://doi.org/10.3390/rs13132462 (Q1)
2. Nicolas Pinel, Christophe Bourlier, Irina Sergievskaya, Nicolas Longépé and Guillaume Hajduch Asymptotic Modeling of Three-Dimensional Radar Backscattering from Oil Slicks on Sea Surfaces. Remote sensing. 2022. https://doi.org/10.3390/rs14040981 (Q1)
3. Klimenko V.V., Lubyako L.V., Mareev E.A., Shatalina M.V. Ground-based measurements of microwave brightness temperature and electric field fluctuations for clouds with a different level of electrical activity. Atmospheric research. 226 (2022) 105937. https://doi.org/10.1016/j.atmosres.2021.105937 (Q1)
4. Kulikov M.Yu., M.V. Belikovich, M. Grygalashvyly, G.R. Sonnemann, and A.M. Feigin, Retrieving daytime distributions of O, H, ОН, НО2, and chemical heating rate in the mesopause region from satellite observations of ozone and OH* volume emission: The evaluation of the importance of the reaction H+O3O2+OH in the ozone balance //Advances in Space Research, 2022, 69(9), 3362-3373, https://doi.org/10.1016/j.asr.2022.02.011 (Q1)
5. Kulikov M.Y., Belikovich M.V., Grygalashvyly M., G.R. Sonnemann, and A.M. Feigin. The revised method for retrieving daytime distributions of atomic oxygen and odd-hydrogens in the mesopause region from satellite observations // Earth Planets Space, 2022, 74, 44, IF 2020 WOS 2.36, SCOPUS 3.06. https://doi.org/10.1186/s40623-022-01603-8 (Q1)
6. Kulikov, M. Yu. and Belikovich, M. V.: Nighttime O(1D) distributions in the mesopause region derived from SABER data, Annales Geophysicae, 38, 815–822, 2020. https://doi.org/10.5194/angeo-38-815-2020 (Q1)
7. Ermakov, S.A.; Dobrokhotov, V.A.; Sergievskaya, I.A.; Kapustin, I.A. Suppression of Wind Ripples and Microwave Backscattering Due to Turbulence Generated by Breaking Surface Waves. Remote Sens. 2020, 12, 3618. https://doi.org/10.3390/rs12213618 (Q1)
8. M.V. Smirnova, I.A. Kapustin, A.V. Ermoshkin Investigation of the possibility of remote detection of gas outlets in the sea using X-band radar. Sovremennye problemy distantsionnogo zondirovaniya Zemli iz kosmosa, 2020, Vol. 17, No. 6, pp. 116–121 DOI: 10.21046/2070-7401-2020-17-6-116-121
9. Калинина В. И., Смирнов И. П., Хилько А. И., Малеханов А. И. Сравнительный анализ помехоустойчивости алгоритмов реконструкции геоакустических параметров морского дна методом когерентного зондирования // Акустический журнал. 2021.Т. 67. № 4. С. 395–412. DOI: 10.31857/S0320791921040031
10. И.А. Сергиевская, С.А. Ермаков, Л.М. Плотников, И.А. Капустин, А.В. Ермошкин Об определении скоростей течений при микроволновом зондировании морской поверхности при умеренных углах падения. Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса. 2022. Т. 19. № 2. С. 212-222. DOI: 10.21046/2070-7401-2022-19-2-212-222
Диссертации:
1. Шомина Ольга Владимировна, к.ф.-м.н., 25.00.29 – физика атмосферы и гидросферы. Исследование механизмов изменчивости коротких ветровых волн и геометрии сликовых структур в приложении к проблеме радиолокационного зондирования морской поверхности. Дата защиты: 28.02.2022, Место защиты: ИПФ РАН, г. Нижний Новгород.
2. Куликов Михаил Юрьевич, д.ф.-м.н., 25.00.29 – физика атмосферы и гидросферы. Исследование физико-химических процессов на высотах мезосферы – нижней термосферы. Дата защиты: 01.11.2021, Место защиты: ИПФ РАН, г. Нижний Новгород.
3. Свечникова Екатерина Константиновна, к.ф.-м.н., 01.04.03 – радиофизика. Высокоэнергичные события в атмосфере и их связь с электрической структурой облака. Дата защиты: 18.10.2021, Место защиты: ИПФ РАН, г. Нижний Новгород.
Работа лаборатории осуществляется при активном сотрудничестве с Федеральным исследовательским центром Институт прикладной физики Российской академии наук (ИПФ РАН).