Russische wetenschappers hebben de effectiviteit van verschillende technieken voor detectie van watertemperatuur op afstand op basis van laserspectroscopie vergeleken en verschillende benaderingen voor de interpretatie van spectrale profielen geëvalueerd. Het artikel waarin het onderzoek wordt beschreven, is gepubliceerd in Optica Letters . De onderzoekers onderzochten vier dataverwerkingstechnieken op basis van de relevante analyses in eerdere publicaties. De techniek die de auteurs eerder zelf ontwikkelden, was tot op 0,15 graden Celsius nauwkeurig. De onderzoeksresultaten zullen de verdere ontwikkeling van remote sensing-oplossingen voor de temperatuur van het zeeoppervlak ondersteunen, wetenschappers in staat stellen thermische energiestromen in moeilijk bereikbare gebieden zoals het Noordpoolgebied te volgen, waar de gemiddelde temperatuur ongeveer twee keer zo snel stijgt als elders op de planeet.

In hun studie hebben de wetenschappers concentreerden zich op Raman-spectroscopie, die is gebaseerd op het fenomeen van Raman-verstrooiing dat in de jaren twintig werd ontdekt. Het gaat om de interactie van een medium met een lichtgolf:het verstrooide licht wordt gemoduleerd door de moleculaire trillingen van het medium, waardoor de golflengten van sommige van de fotonen worden verschoven; met andere woorden, een deel van het verstrooide licht verandert van kleur. Ramanverstrooiing, en bij uitbreiding, het gebied van Raman-spectroscopie, zijn vernoemd naar Sir C.V. Raman, een Indiase natuurkundige die een Nobelprijs kreeg voor de ontdekking van dit effect. interessant, Russische wetenschappelijke literatuur heeft de neiging om naar hetzelfde fenomeen te verwijzen als "combinatieverstrooiing, " een term die is bedacht om de onafhankelijke ontdekking door Sovjet-onderzoekers te benadrukken.

"Nu het klimaat zo snel verandert, teledetectie van de watertemperatuur is een prioriteit, maar de radiometrietechnieken die momenteel in gebruik zijn, zijn slechts tot ongeveer een halve graad nauwkeurig. Raman-spectroscopie maakt metingen met een veel grotere precisie mogelijk, " beweert Mikhail Grishin, een van de auteurs van het onderzoek, een doctoraat student aan het MIPT, en een onderzoeker bij het Laser Spectroscopie Laboratorium van het Wave Research Center bij GPI.

Het experiment dat door de wetenschappers werd uitgevoerd, omvatte het sonderen van water met een gepulseerde laser en het gebruik van een spectrometer om het teruggestrooide licht te analyseren. Afhankelijk van de temperatuur van het water, zijn karakteristieke OH-rektrillingen spectrale band werd variabel getransformeerd. De wetenschappers moesten uitzoeken of het mogelijk was om een ​​duidelijk verband te leggen tussen de watertemperatuur en een van de spectrale bandparameters.

De wetenschappers onderzochten de temperatuurafhankelijkheid van verschillende spectrale bandparameters, namelijk, bepaalde delen van het gebied onder de grafiek (zie Fig. 1), differentiële spectra (het resultaat van aftrekking van twee spectra), en de locatie van de piek van de curve die past bij het bandspectrum. Hoewel het mogelijk is gebleken om een ​​relatie te leggen tussen de watertemperatuur en elk van de bovengenoemde metrieken, de geschatte nauwkeurigheid van de temperatuurmeting van de respectieve technieken varieerde. Statistische analyse van experimentele gegevens toonde aan dat temperatuurafhankelijkheid het meest uitgesproken was wanneer de golflengte die overeenkomt met de piek van de curve die in het bandspectrum past, als maatstaf werd gebruikt. De wetenschappers kregen een patent voor de overeenkomstige benadering van de interpretatie van spectrale profielen door het Russische octrooibureau.

De zeewatertemperatuur in het noordpoolgebied wordt momenteel gemonitord met behulp van een reeks technieken, waaronder directe metingen door weerboeien en koopvaardij- of onderzoeksvaartuigen. Echter, om de temperatuurdynamiek van zee-oppervlaktewater in realtime en over uitgestrekte gebieden te volgen, het is noodzakelijk om luchtwaarnemingen te doen met behulp van detectieapparatuur die in vliegtuigen of satellieten is geïnstalleerd, die het water bestraalt met een laser en het verstrooide licht opvangt. Een ruimtelijke resolutie van minder dan een kilometer stelt onderzoekers in staat om zeer gedetailleerde temperatuurkaarten te maken die kunnen worden gebruikt om de overdracht van warmte door oceaanstromingen te volgen, voorspellen hoe snel het poolijs zal smelten, en maak een wereldwijde klimaatveranderingsvoorspelling. Naarmate onbemande luchtvaartuigen (UAV's) beter worden, teledetectieapparatuur moet ook worden verbeterd om preciezer te zijn, lichtgewicht, compact, en energiezuinig. De wetenschappers ontwikkelen zowel de software als het laserdetectorsysteem.

Vasili Lednev, een van de auteurs van het onderzoek, een vooraanstaand expert bij de afdeling Certificatie en Analytische Controle van NUST MISiS, vertelde ons hoe hij de toekomst van dit onderzoek ziet:"Een van de belangrijkste hindernissen voor teledetectie van het zeeoppervlak is de noodzaak om apparatuur te kalibreren en satellietmeetresultaten te verifiëren aan de hand van contactmetingen van zeewaterparameters (temperatuur, chlorofylconcentratie, enzovoort.). De ontwikkeling en het ontwerp van compacte autonome lidar (laserradar)-systemen die op UAV's kunnen worden gemonteerd, zullen ons in staat stellen om gedetailleerde zeekaarten te verkrijgen met een reeks waterparameters. Deze lidarsystemen zijn ook van direct belang voor de studie van moeilijk bereikbare en gevaarlijke objecten zoals ijsbergen of ijsplaten."

De gemiddelde jaarlijkse veranderingen in de temperatuur van de oceanen van de wereld zijn meestal erg klein. Momenteel warmt het elke 10 jaar slechts een tiende van een graad op, terwijl seizoensgebonden temperatuurschommelingen enkele graden kunnen bedragen. Dit betekent dat een fout van slechts een halve graad een significante daling van de nauwkeurigheid van het totale beeld van de verkregen temperatuurdynamiek zal veroorzaken. In het geval van seizoensmetingen, de onzekerheid kan oplopen tot 20 procent of meer, terwijl klimaattrends op lange termijn ongeïdentificeerd kunnen blijven vanwege de meetfout.

De remote-sensing thermometers die momenteel in gebruik zijn, werken in het microgolf spectrale bereik. Raman-verstrooiingsspectrometrie heeft een belangrijk voordeel ten opzichte van microgolfradiometrie doordat de indringende laserstraling in het zichtbare (blauwgroene) deel van het spectrum valt. In tegenstelling tot microgolfstraling, waar water bijna volledig ondoorzichtig voor is, zichtbaar licht kan doordringen in een waterlaag van 1-10 meter dik. Met microgolfdetectie, de gegevens zijn alleen beschikbaar voor de 30 micron dikke oppervlaktelaag waarvan de temperatuur aanzienlijk wordt beïnvloed door de koude Arctische winden. Dit geeft aanleiding tot een fout, wat bijna volledig wordt vermeden bij metingen op basis van Raman-verstrooiing. Om dit soort fouten te corrigeren, op satellieten gebaseerde microgolfradiometers moeten worden gekalibreerd tegen metingen op de grond. Daarentegen, Raman-spectrometrie staat niet voor dit obstakel en kan onafhankelijk van contactwaarnemingen nuttige gegevens produceren.