Исследования томичей добавляют точности моделированию климата

Ученые Института оптики атмосферы им. В. Е. Зуева СО РАН (Томск) в ходе многолетних исследований разработали и экспериментально проверили теорию, которая позволяет создавать более точные региональные и глобальные математические модели изменения климата.

Для прогноза изменения климата необходимо уметь рассчитывать радиационный баланс планеты — соотношение между энергией излучения, поступающего на Землю от Солнца, и количеством тепла, уходящего в космос в виде инфракрасного излучения. Для уходящего излучения определяющим фактором являются парниковые газы, основной из которых — водяной пар. Наибольшая его концентрация — в мощных облаках: кучевых и слоисто-дождевых.

На ледяных кристаллах

Рассчитывать рассеяние излучения на сферических водяных каплях небольшого размера (порядка 5 микрон), из которых состоят низкие облака, в науке умеют давно. Хуже обстоят дела с кристаллическими облаками, например, перистыми, которые располагаются на высотах от 6 до 12 километров. Кристаллы льда имеют значительно больший, чем капли воды, размер (порядка ста и даже тысячи микрон), и они не сферические (типичная форма у них — гексагональные столбики и пластинки). Обычные методы расчета для таких частиц непригодны.

Гало

Прогресс в теоретических расчетах произошел, когда главный научный сотрудник ИОА СО РАН доктор физико-математических наук Анатолий Георгиевич Боровой разработал оригинальный метод физической оптики, позволяющий рассчитывать параметры оптического излучения, рассеянного частицами любых размеров, вплоть до миллиметров. Основные идеи, положенные в основу этого метода, развивались в институте с 1980-х годов (А. А. Поповым, О. В. Шефер, Б. В. Каулем, Д. Н. Ромашовым, И. А. Гришиным и другими), но именно Анатолию Георгиевичу удалось собрать воедино весь накопленный опыт и сформулировать теоретическую основу нового метода.

Ученым совместно с доктором физико-математических наук Александром Владимировичем Коношонкиным и кандидатом физико-математических наук Натальей Валентиновной Кустовой был реализован эффективный компьютерный алгоритм, способный решать задачу рассеяния света на ледяных атмосферных кристаллах. С появлением в институте высокопроизводительного вычислительного кластера «Феликс-К» удалось практически полностью выполнить задуманное.

Дело не только в размере

Оптические эффекты, проявляющиеся в кристаллических облаках, не определяются только размерами частиц. Кристаллы льда, которые образовывались в облаках, часто имеют правильную форму, и у них практически всегда есть плоские грани, способные вызвать зеркальное отражение света. Между гранями имеются прямые углы — они вызывают «уголковое отражение» в обратном к падающему свету направлении. Более того, пластинки и столбики стремятся ориентироваться при падении длинными сторонами в горизонтальной плоскости. То, что таких кристаллов в облаке много, известно давно. Именно они вызывают красивые явления гало в виде кругов и дуг вокруг солнца.

Гало

Зеркальное отражение от преимущественно ориентированных кристаллов существенно меняет поток солнечного излучения, по сравнению с кристаллами, ориентированными хаотически. Теория А. Г. Борового позволяет учитывать и такие сложные случаи, но для этого нужно знать, как часто в природе в реальных облаках присутствует горизонтально ориентированные частицы и насколько сильно влияет на ориентацию частиц турбулентность (то есть, иметь информацию о распределении углов отклонения от горизонтальной плоскости — флаттер). Проблема в том, что прежние многочисленные исследования облаков проводились в основном с самолетов, и они показывают форму частиц, но не их ориентацию — самолет просто разбрасывает кристаллики в разные стороны.

Гало

Многолетние наблюдения кристаллических облаков под руководством кандидата физико-математических наук Виктора Петровича Галилейского, проводимые All-sky камерой ИОА СО РАН, показали, что частицы в облаках ориентируются в преимущественно горизонтальной плоскости значительно чаще, чем предполагалось ранее. Игнорирование этого факта не позволит улучшать точность климатических моделей, поскольку приводит к ошибкам в расчете радиационного баланса. В связи с этим остро стала проблема определения параметров ориентации частиц в облаках, накопления статистических данных.

Вступают лидары

Исследование эффекта зеркального отражения от частиц в кристаллических облаках получило дальнейшее развитие при использовании поляризационных лидаров. Как и солнечный свет, лазерное излучение отражается от ориентированных кристаллов, сохраняя исходное состояние поляризации, и никакого возмущающего влияния на ориентацию частиц излучение лидара не производит. Таких наблюдений проводилось в мировой науке очень много, в том числе в группе оптического зондирования атмосферы ИОА СО РАН под руководством кандидата физико-математических наук Юрия Степановича Балина и на кафедре оптико-электронных систем и дистанционного зондирования Томского государственного университета под руководством доктора физико-математических наук Игнатия Викторовича Самохвалова. Однако эти исследования показали, что неподвижный, вертикально ориентированный лидар не позволяет достоверно определить важный параметр ориентации кристаллов — угол отклонения частиц от горизонтальной плоскости (угол флаттера).

А. Г. Боровой, Г. П. Коханенко и А. В. Коношонкин

Существенный прорыв в этом направлении произошел, когда кандидат физико-математических наук Григорий Павлович Коханенко разработал уникальный сканирующий поляризационный лидар ЛОЗА-М3, позволяющий измерять углы наклона зеркальных частиц. Оказалось, распределение наклонов описывается экспоненциальным законом с очень острым пиком шириной около 30 угловых минут. Это значит, что при отклонении лидара от вертикали всего на один градус энергия отраженного света уменьшается почти на порядок.

Понятно, что статистические характеристики, описывающие ориентацию частиц в облаках, важны при оценке прохождения солнечной радиации. Тем не менее подавляющие большинство современных климатических моделей не учитывают ориентацию частиц в облаке, предполагая, что частицы ориентированы абсолютно случайным образом. Такое предположение существенно упрощает задачу, поэтому и пользуется большой популярностью. Строгое решение задачи переноса солнечного излучения с учетом преимущественной ориентации частиц в мире способны получить лишь несколько научных групп. Одна из передовых групп — научная группа под руководством ведущего научного сотрудника ИОА СО РАН доктора физико-математических наук Татьяны Борисовны Журавлевой.

Наблюдая уголковое отражение

Еще один интересный эффект — наблюдение уголкового отражения от ориентированных частиц. Предсказанный Анатолием Боровым эффект должен наблюдаться при направлении излучения лидара под углом 32 градуса к вертикали. Эффект очень понятный, но без сканирующего лидара наблюдать его невозможно. Он так бы и оставался теоретическим предсказанием, но лидар ЛОЗА позволил обнаружить эффект. При зондировании под этим углом ученые наблюдали не только увеличение интенсивности обратно рассеянного света, но и предсказанное увеличение деполяризации излучения. Очень важно, что теоретические расчеты, проведенные в руководимой А. В. Коношонкиным лаборатории рассеяния электромагнитных волн, учитывающие сложный состав кристаллов в облаке (смесь пластинок, столбиков и частиц сложной формы), очень хорошо совпали с данными экспериментальных наблюдений. Это очередной раз доказывает достоверность теоретических и экспериментальных данных.

Таким образом, в ИОА СО РАН благодаря совместным усилиям нескольких научных групп удалось провести комплексное исследование ориентации кристаллов в облаке и доказать, что игнорирование данного факта препятствует дальнейшему росту точности климатических моделей и прогноза погоды.