Зеркала в небе
Новый метод изучения облаков и авиаследов поможет точным климатическим прогнозам
Ученые радиофизического факультета Томского государственного университета разработали метод, позволяющий точно обнаруживать и определять характеристики конденсационных следов самолетов в атмосфере. Такие следы визуально и по своим оптическим свойствам похожи на облака верхнего яруса, которые играют важную роль в теплообмене в атмосфере Земли.
Фото: Getty Images
Фото: Getty Images
Однако в большинстве климатических моделей их влияние учитывается не в полной мере, в том числе из-за сложностей исследования. Новый подход, основанный на использовании данных высотного матричного поляризационного лидара и других источников, поможет лучше понять атмосферные процессы с участием конденсационных следов. В перспективе это повысит качество климатических и метеорологических прогнозов. Результаты работы опубликованы в журнале Atmosphere (Q2).
Точность современных краткосрочных прогнозов погоды составляет 90–95%. Тем не менее нередкими остаются локальные отклонения, особенно в прогнозировании осадков. Во многом это происходит из-за недостаточной изученности ряда атмосферных процессов. Одним из таких малоизученных факторов являются облака верхнего яруса (ОВЯ). Они формируются на высоте 6–12 км и обладают значительной горизонтальной протяженностью (до 1 тыс. км), покрывая в разные моменты от 20% до 50% поверхности Земли. Такие облака играют важную роль в радиационном балансе планеты, непосредственно влияющем на климат.
«Облака верхнего яруса состоят в основном из ледяных кристаллов разных размеров и формы, которые при определенных условиях имеют преимущественно горизонтальную ориентацию. Такое облако работает как зеркало,— объясняет Илья Брюханов, доцент кафедры оптико-электронных систем и дистанционного зондирования, заведующий научно-исследовательской лабораторией лазерного зондирования РФФ ТГУ.— Определенная часть излучения, направляющегося к поверхности Земли, не проходит сквозь это облако и возвращается обратно в космос. Тогда облако работает на выхолаживание атмосферы. С другой стороны, излучение от остывающей поверхности Земли на пути в космос также встречает эти “зеркала”, что способствует парниковому эффекту».
Илья Брюханов, доцент кафедры оптико-электронных систем и дистанционного зондирования, заведующий научно-исследовательской лабораторией лазерного зондирования РФФ ТГУ
Фото: Томский государственный университет
Илья Брюханов, доцент кафедры оптико-электронных систем и дистанционного зондирования, заведующий научно-исследовательской лабораторией лазерного зондирования РФФ ТГУ
Фото: Томский государственный университет
По мнению ученых РФФ, баланс между этими двумя процессами не до конца изучен и нельзя сказать в определенный момент времени, способствует облако охлаждению или нагреванию атмосферы. Кроме того, контактные приборы, работа которых основана на заборе проб исследуемой среды, не позволяют определять ориентацию частиц льда в облаках. Все это, вероятно, приводит к ошибкам в расчетах радиационного баланса Земли и снижает точность прогнозов погоды и климата.
Для определения ориентации ледяных частиц в ОВЯ ученые ТГУ применяют высотный матричный поляризационный лидар — уникальную установку, созданную на радиофизическом факультете ТГУ. Это единственный лидар в мире, позволяющий получить в поляризационных измерениях все элементы матрицы обратного рассеяния: размеры, форму и ориентацию частиц в нем. Полный цикл необходимых поляризационных измерений лидар выполняет всего за две секунды, а рассеянное атмосферой излучение принимается с высот до 15 км.
Помимо лидара для распознавания конденсационных следов самолетов радиофизики ТГУ использовали данные ADS-B мониторинга воздушного движения, радиозондирования в Новосибирске и Колпашеве, а также реанализа ERA5 Европейского центра среднесрочных прогнозов погоды. Данные реанализа томские ученые использовали для этой цели впервые.
Реанализ ERA5 — это набор результатов метеорологических измерений с 1979 года, полученный из большого количества источников по всему миру: морских буев, самолетов, наземных метеостанций, радиозондов, спутников и прочего. Эти данные направляются в качестве входных параметров в модель, которая восстанавливает вертикальные профили метеовеличин с почасовым разрешением даже в тех точках, где измерения не проводились. Такой источник информации особенно актуален для таких городов, как Томск, где нет собственных метеостанций, проводящих именно такие необходимые измерения.
«До недавнего времени мы ориентировались на данные аэрологического зондирования в сети Росгидромета. По правилам Всемирной метеорологической организации станции дважды в сутки запускают радиозонды, измеряющие параметры атмосферы: атмосферное давление, температуру воздуха и др. Но, увы, ближайшие к Томску станции находятся в 210–240 км,— объясняет Илья Брюханов.— С данными реанализа мы можем получать актуальные для нас значения метеовеличин на высотах формирования исследуемых облаков, и не дважды в сутки, а каждый час. Это дает нам возможность точнее рассчитывать параметры атмосферы и дрейфа конденсационных следов самолетов».
Гипотезу о том, что использование реанализа в сочетании с другими источниками данных позволит сделать расчеты дрейфа конденсационных следов (и вместе с тем их идентификацию на основе данных лидарного зондирования) более точными, проверили на конкретном случае — эксперименте по лидарному зондированию следа самолета Boeing 777-F, пролетевшего 6 февраля 2023 года вблизи Томска на высоте 10,3 км. Ученые рассчитали длительность дрейфа следа и время его появления в поле зрения приемной системы лидара. После они сравнили данные, рассчитанные на основе реанализа ERA5, с данными, полученными на основе измерений радиозондов. Разница в расчетах оказалась минимальной. Отличия в направлении ветра составили 12 градусов, в скорости ветра — 2 м в секунду, а время появления следа совпало с точностью до десяти минут.
Лидар ТГУ
Фото: Томский государственный университет
Лидар ТГУ
Фото: Томский государственный университет
«Мы действительно начали фиксировать аэрозольный слой на высоте 9–10,5 км примерно в то время, которое рассчитывали. Это позволило с высокой уверенностью идентифицировать его как след конкретного самолета, чью траекторию мы анализировали. Таким образом, реанализ ERA5 можно использовать в таких задачах как альтернативу или дополнение к данным аэрологического зондирования,— продолжает Илья Брюханов.— Этот инструмент, как и подобные ему, может применяться для интерпретации результатов лидарного зондирования атмосферы с высокой достоверностью».
Илья Брюханов подчеркивает, что сотрудники радиофизического факультета проводят исследования в этом направлении в рамках проектов, поддержанных грантами Российского научного фонда. Работа ведется совместно с коллегами из лаборатории анализа данных физики высоких энергий физического факультета ТГУ.
В рамках первого гранта РНФ (№24-72-10127) ученые работают над созданием инструмента для комплексной оценки характеристик ОВЯ, а также определения условии и частоты их наблюдения на основе сопоставления лидарных, спутниковых и метеорологических данных. Второй грант (№24-77-00097) направлен на развитие методик поляризационного лидарного зондирования и обработки получаемых данных. Также сотрудники ТГУ участвуют в работах, поддержанных правительством Российской Федерации (соглашение №075-15-2025-009 от 28.02.2025 г.).