Natuurkundigen van het Moskouse Instituut voor Natuurkunde en Technologie hebben een nieuwe methode ontwikkeld voor het meten van windsnelheden op afstand. Het kan een aanvulling zijn op de algemeen gebruikte lidar- en radardetectietechnieken. De krant is gepubliceerd in Atmosferische meettechnieken .

Windsnelheidsmetingen zijn essentieel voor veel toepassingen. Bijvoorbeeld, assimilatie van deze gegevens is vereist voor het afstemmen van klimatologische en meteorologische modellen, inclusief die welke worden gebruikt voor weersvoorspellingen. Ondanks de vooruitgang die de afgelopen decennia op het gebied van teledetectie is geboekt, het meten van de beweging van luchtmassa's is nog steeds een uitdaging. De meeste gegevens worden verzameld via traditionele contactmethodes:via sensoren op weerstations of ballonballonnen. Lidar of sonar anemometers worden vaak gebruikt voor lokale metingen op afstanden van enkele honderden meters of minder. Weerradars kunnen helpen op afstanden tot tientallen kilometers. Echter, de laatste zijn normaal gesproken niet effectief buiten de troposfeer - de dichtstbijzijnde atmosferische laag van de aarde, die 10 tot 18 kilometer dik is. Op satellieten gebaseerde directe metingen van de beweging van luchtmassa's zijn zeldzaam, er zijn slechts incidentele experimenten uitgevoerd.

"Informatie over atmosferische dynamiek is nog steeds vrij moeilijk te verkrijgen door middel van directe waarnemingen. de meest betrouwbare manier om windsnelheden op afstand te meten is het gebruik van Doppler-radars. Deze techniek houdt in dat de omgeving wordt gepeild met een krachtige stralingsbron en vereist daarom aanzienlijke middelen, inclusief stroom, apparatuur massa, maat, en kosten. Ons instrument biedt een voordeel in termen van deze parameters:het is compact, goedkoop, en omvat commerciële componenten die beschikbaar zijn in de telecommarkt, " zei de hoofdauteur van de studie, Alexander Rodin, die aan het hoofd staat van het Applied Infrared Spectroscopy Lab bij MIPT.

Het instrument is gebaseerd op het principe van heterodyne detectie, de basis van vele radiotechnische toepassingen. Echter, opgemerkt moet worden dat het instrument in de optische, of om precies te zijn, het nabij-infraroodbereik - bij een golflengte van 1,65 micrometer. Het werkingsprincipe is gebaseerd op het combineren van het ontvangen signaal (in dit geval zonnestraling die door de atmosfeer is gegaan) en een etalonbron (lokale oscillator), namelijk een afstembare diodelaser. Aangezien de wetten van de voortplanting van elektromagnetische golven hetzelfde zijn voor alle spectrale bereiken, het principe van heterodyning is evenzeer van toepassing op radiosignalen als op infraroodstraling.

Echter, heterodyning stuit op bepaalde moeilijkheden indien toegepast op het optische bereik. Bijvoorbeeld, zeer nauwkeurige afstemming van golffronten is vereist, omdat verplaatsing met zelfs maar een fractie van een golflengte onaanvaardbaar is. Het MIPT-team gebruikte een eenvoudige oplossing, het toepassen van een single-mode optische vezel.

Een andere uitdaging is de behoefte aan extreem nauwkeurige frequentieregeling van de lokale oscillator, met een fout van niet meer dan 1 MHz, een kleine hoeveelheid vergeleken met de optische stralingsfrequentie. Dit behandelen, het team moest een lastige aanpak hanteren en diep in de processen van diodelaseremissie duiken. Deze inspanningen hebben geresulteerd in een nieuw instrument - een experimentele laser heterodyne spectroradiometer - die wordt gekenmerkt door een ongekende spectrale resolutie in het nabij-infraroodbereik. Het meet het infrarode atmosferische absorptiespectrum met een ultrahoge spectrale resolutie, waardoor het mogelijk is om windsnelheden op te halen met een nauwkeurigheid van 3 tot 5 meter per seconde.

"Een instrument bouwen, zelfs met recordkenmerken, is slechts de helft van het verhaal, Rodin zei. "Om windsnelheid op verschillende hoogten tot in de stratosfeer te achterhalen met behulp van de gemeten spectra, je hebt een speciaal algoritme nodig dat het inverse probleem oplost."

"We hebben besloten geen gebruik te maken van machinaal leren, maar een klassieke aanpak te implementeren op basis van Tikhonov-regularisatie. Ondanks het feit dat deze methode al meer dan een halve eeuw bekend is, het wordt veel gebruikt over de hele wereld, en zijn mogelijkheden zijn nog lang niet uitgeput, ' zei de wetenschapper.

De berekeningen maken het mogelijk om verticale windprofielen op te halen vanaf het oppervlak tot ongeveer 50 kilometer. Gebaseerd op de relatief eenvoudige en betaalbare spectroradiometer, in de toekomst kan men uitgebreide netwerken creëren voor atmosferische monitoring.

Het Applied Infrared Spectroscopy Lab van het MIPT is van plan een observatiecampagne uit te voeren om de polaire vortex in de stratosfeer en de broeikasgasconcentratie in het Russische Noordpoolgebied te meten met hun nieuw ontwikkelde instrument. Naast dat, in samenwerking met het Space Research Institute van de Russische Academie van Wetenschappen, het lab ontwikkelt op basis van hetzelfde principe een instrument voor het bestuderen van de Venusatmosfeer. Het instrument zal in het kader van internationale samenwerking aan boord van India's Venus-orbiter worden geïnstalleerd.