Зеркала в небе

Специалисты радиофизического факультета Томского государственного университета (ТГУ) создали новую методику для точного выявления и анализа свойств инверсионных следов, оставляемых самолетами в атмосфере. Эти следы по внешнему виду и оптическим параметрам очень схожи с высоко расположенными облаками, которые оказывают существенное влияние на тепловой обмен в земной атмосфере.

Несмотря на их важность, влияние инверсионных следов и аналогичных облаков часто недооценивается в климатических моделях из-за трудностей с их исследованием. Разработанный подход, использующий данные высотного матричного поляризационного лидара и других источников, позволит глубже изучить атмосферные явления, связанные с этими следами. Ожидается, что это приведет к более точным климатическим и метеорологическим прогнозам. Подробности исследования опубликованы в научном журнале Atmosphere (Q2).

Современные краткосрочные прогнозы погоды демонстрируют высокую точность — до 90–95%. Однако по-прежнему наблюдаются локальные неточности, особенно в прогнозировании осадков. Частично это объясняется недостаточным пониманием некоторых атмосферных процессов. Среди таких малоизученных факторов выделяются облака верхнего яруса (ОВЯ). Они образуются на высотах от 6 до 12 километров и могут простираться горизонтально на тысячу километров, покрывая в разные периоды от 20% до 50% земной поверхности. Эти облака критически важны для радиационного баланса планеты, напрямую воздействуя на климат.

«Облака верхнего яруса преимущественно состоят из ледяных кристаллов различного размера и формы, которые при определенных условиях могут располагаться горизонтально. По сути, такое облако функционирует как зеркало, — поясняет Илья Брюханов, доцент кафедры оптико-электронных систем и дистанционного зондирования, а также руководитель научно-исследовательской лаборатории лазерного зондирования РФФ ТГУ. — Часть солнечного излучения, направляющегося к Земле, отражается этими облаками обратно в космос, способствуя охлаждению атмосферы. В то же время, тепловое излучение от охлаждающейся поверхности Земли, направляясь в космос, также сталкивается с этими «зеркалами», что усиливает парниковый эффект.»

Исследователи РФФ считают, что взаимосвязь между процессами охлаждения и нагревания атмосферы, обусловленными ОВЯ, пока недостаточно изучена, и невозможно однозначно определить, какой эффект доминирует в конкретный момент. Более того, традиционные контактные методы, требующие забора проб, не могут точно установить ориентацию ледяных частиц в облаках. Эти факторы, вероятно, ведут к неточностям в расчетах радиационного баланса Земли и, как следствие, снижают достоверность метеорологических и климатических прогнозов.

Для точного определения ориентации ледяных кристаллов в ОВЯ ученые ТГУ используют высотный матричный поляризационный лидар – уникальную разработку собственного радиофизического факультета. Этот прибор является единственным в мире лидаром, способным за одно поляризационное измерение получить всю матрицу обратного рассеяния, что позволяет одновременно определять размер, форму и ориентацию частиц. Полный цикл измерений занимает всего две секунды, а прием рассеянного атмосферного излучения возможен с высот до 15 километров.

Помимо лидарных данных, радиофизики ТГУ применяли информацию с ADS-B мониторинга воздушного трафика, результаты радиозондирования из Новосибирска и Колпашево, а также данные реанализа ERA5 Европейского центра среднесрочных прогнозов погоды для идентификации инверсионных следов. Стоит отметить, что томские ученые впервые использовали данные реанализа для подобных исследований.

Реанализ ERA5 представляет собой обширный набор метеорологических данных, собранных с 1979 года из разнообразных мировых источников, включая морские буи, самолеты, наземные станции, радиозонды и спутники. Эти сведения служат входными параметрами для модели, которая восстанавливает вертикальные профили метеорологических величин с часовым разрешением, даже для тех локаций, где прямые измерения отсутствовали. Подобный источник информации чрезвычайно ценен для городов вроде Томска, где нет собственных метеостанций, выполняющих специфические необходимые измерения.

«Ранее мы полагались на данные аэрологического зондирования, предоставляемые сетью Росгидромета. В соответствии с регламентом Всемирной метеорологической организации, станции запускают радиозонды дважды в сутки для измерения атмосферного давления, температуры воздуха и других параметров. Однако ближайшие к Томску станции расположены на расстоянии 210–240 километров, — отмечает Илья Брюханов. — Использование данных реанализа позволяет нам получать актуальные метеорологические параметры на высотах формирования изучаемых облаков ежечасно, а не только дважды в сутки. Это значительно повышает точность расчетов атмосферных условий и дрейфа инверсионных следов самолетов.»

Гипотеза о том, что применение реанализа в комбинации с другими данными улучшит точность расчетов дрейфа инверсионных следов (и их последующей идентификации с помощью лидарного зондирования), была проверена на конкретном примере. В ходе эксперимента, проведенного 6 февраля 2023 года, исследователи использовали лидар для зондирования следа самолета Boeing 777-F, пролетавшего над Томском на высоте 10,3 км. Ученые вычислили продолжительность дрейфа следа и предполагаемое время его обнаружения приемной системой лидара. Сравнение результатов, полученных с использованием реанализа ERA5, с данными радиозондов показало минимальные расхождения: отклонения в направлении ветра составили 12 градусов, в скорости ветра — 2 м/с, а время появления следа совпало с точностью до десяти минут.

«Мы действительно зафиксировали аэрозольный слой на высоте 9–10,5 километра приблизительно в рассчитанное нами время. Это дало нам высокую степень уверенности в том, что это был след именно того самолета, траекторию которого мы анализировали. Следовательно, реанализ ERA5 может служить как альтернативным, так и дополнительным источником данных к традиционному аэрологическому зондированию для подобных задач, — заключает Илья Брюханов. — Этот метод, как и аналогичные ему, значительно повышает достоверность интерпретации данных лидарного зондирования атмосферы».

Илья Брюханов акцентирует внимание на том, что исследования в этом направлении осуществляются при поддержке грантов Российского научного фонда. Проект реализуется в сотрудничестве с учеными из лаборатории анализа данных физики высоких энергий физического факультета ТГУ.

В рамках первого гранта РНФ (№24-72-10127) исследователи разрабатывают комплексный инструмент для оценки характеристик ОВЯ, а также для определения условий и частоты их появления, опираясь на сопоставление лидарных, спутниковых и метеорологических данных. Второй грант (№24-77-00097) посвящен усовершенствованию методов поляризационного лидарного зондирования и обработки получаемой информации. Помимо этого, сотрудники ТГУ участвуют в проектах, финансируемых правительством Российской Федерации (соглашение №075-15-2025-009 от 28.02.2025 г.).