Тайна небесного зеркала

У Николая Асеева есть необыкновенно красивые строки: «Летят облака, как битый лед, весенний колотый лед, и синь сквозит, высока, далека, сквозь медленный их полет». Но тайны небесных «странников» пытаются постичь не только поэты, но и ученые. Например, Александр Коношонкин, сотрудник группы теории рассеяния оптических волн ИОА СО РАН им. В.Е. Зуева, сотрудник лаборатории радиофизических и оптических методов изучения окружающей среды НИ ТГУ.

В 2015 году его проект «Расчет сигналов двухволнового поляризационного сканирующего лидара для восстановления микрофизических параметров перистых облаков» был удостоен гранта Президента РФ для государственной поддержки молодых российских ученых – кандидатов наук.

Перистые облака формируются на высоте 8–12 километров и почти не видны с Земли, – рассказывает Александр. – Это первые облака, которые встречают поток солнечного света. Облака состоят из небольших кристаллов льда, за что получили еще одно название – кристаллические. Кристаллы, как маленькие зеркала, способны отражать солнечный свет обратно в атмосферу. Очень часто кристаллы ориентируются в облаке одинаково и действуют как одно большое зеркало, существенно меняя количество солнечной энергии, поступающей на Землю. Единственно доступный способ изучения состава облаков – это наблюдение за рассеянным на них светом, а моделировать рассеянный свет можно, только зная состав облаков. Получается замкнутый круг! И если для жидкокапельных облаков можно применить теорию рассеяния света на сферических частицах, то для ледяных частиц таких теорий до сих пор не создано.

По мнению молодого ученого, решить эту проблему важно для того, чтобы научиться составлять наиболее точные прогнозы погоды. «Поведение» кристаллов льда, из которых состоят перистые облака, во многом определяет количество тепла в атмосфере Земли. Поэтому важно изучать микрофизические параметры перистых облаков – размеры кристаллов, их ориентацию в пространстве, температуру, плотность.

Американские исследователи при изучении рассеяния света на кристаллических частицах опираются на уравнения Максвелла, однако такой подход не позволяет производить расчеты для крупных объектов: чем больше частица, тем более трудоемко решение, приходится использовать суперкомпьютеры для вычислений! Максимальный размеры частиц, для которых удалось достичь решения таким методом, ограничиваются десятками микрон.

– А в кристаллических облаках частицы очень многообразны, их размеры варьируются от десятков микрон до десятков миллиметров, – поясняет Александр Коношонкин. – Поэтому мы используем численное решение задачи рассеяния света на ледяных кристаллах, полученное в приближении физической оптики. Этот метод, основанный на алгоритме трассировки пучков, разработан нами и позволяет решать задачу для частиц от 30 микрон и более. Сама идея была предложена томским ученым А.А. Поповым еще в 1984 году и с тех пор активно развивалась. И хотя в последние годы такой подход разрабатывают и американские коллеги, у России есть некоторая «фора», потому что мы приступили к этой теме раньше, и есть определенное преимущество в методике.

Определение необходимых параметров с помощью специальных инструментов – лидаров (наземных и космических) – является важной частью решаемой задачи, и эта работа лежит в основе проекта, поддержанного президентским грантом. Сам проект нацелен на решение теоретической задачи – построение модели рассеяния света на кристаллах перистых облаков для случая их зондирования сканирующим поляризационным лидаром.

– Сегодня в России в этом направлении работает ряд ученых: в ИОА СО РАН под руководством профессора А.Г. Борового ведутся теоретические исследования, практические наблюдениями под руководством профессора И.В. Самохвалова осуществляются на уникальном поляризационном лидаре ТГУ, а также под руководством в.н.с. Ю.С. Балина – на двухволновом лидаре ИОА СО РАН. В этой группе я и состою. Теоретическая работа тесно переплетается с экспериментальными наблюдениями, мы непрерывно сопоставляем расчетные значения с реальными измерениями. Проводимый эксперимент, в свою очередь, базируется на результатах расчетов. В этом году результаты нашей совместной работы вошли в список важнейших достижений Сибирского отделения РАН по физике. Мы уверены, что созданная нами модель позволит повысить точность прогнозов погоды и ответит на некоторые вопросы, связанные с изменениями климата на планете.

 

Татьяна Гавриловская.