Пространственные распределения аэрозоля на высотах полетов гражданской авиации по данным проекта DELICAT

В 2009–2015, как часть 7-ой Рамочной программы Евросоюза по научным исследованиям и технологическому развитию выполнялся проект DELICAT   (DEmonstration of LIdar based Clear Air Turbulence detection, Демонстрация обнаружения турбулентности ясного неба при помощи лидара) с участием ИФА им А.М. Обухова РАН. В ходе проекта был разработан и изготовлен самолетный ультрафиолетовый лидар для заблаговременного обнаружения турбулентности ясного неба (ТЯН) впереди по курсу по сигналу обратного рассеяния. Наблюдение рассеянного назад излучения проводилось на двух поляризациях, с целью выделения флуктуаций сигналов от аэрозоля, который может приводить к деполяризации. В период 17.07–12.08.2013 года были проведены 11 полетов общей длительностью 33 ч. для испытания лидара. Полеты происходили над Западной Европой, Британскими островами и прилегающими морскими территориями в условиях ясной погоды. Скопления аэрозоля и/или ТЯН были зарегистрированы в каждом полете. В результате был получен уникальных массив наблюдений. 

Аэрозоль выступает в 2-х ролях:

1) он является помехой, вносящей искажения в сведения о возможных областях ТЯН,

2) он является объектом изучения, в частности, исследования размеров и пространственно-временной эволюции его скоплений.

В данной работе был проведен анализ пространственных спектров флуктуаций плотности аэрозоля. Для этого выбирались отрезки полета с постоянными высотой, направлением и скоростью самолета. Многочасовая запись интенсивности рассеянного излучения разбивалась на отрезки длительностью 1 минута. За это время самолет смещался на 7–11 км вдоль трассы полета. Сигнал рассматривается в двух координатах: расстояние от самолета до рассеивающего объема и путь самолета относительно воздушной массы. Был предложен новый метод обработки сигнала, основанный на 2-мерном преобразовании Фурье, позволяющий идентифицировать облака аэрозоля. При этом делаются следующие приближения: 1) облака на масштабе времени порядка 1 минуты неподвижны, 2) вариации направления линии зондирования малы. Во введенных выше координатах облака аэрозоля проявляются в виде полос, наклоненных под углом 45 градусов.  Вычислялись двумерные Фурье-спектры сигнала для выбранных зон полетов: а) без аэрозоля, что позволяет оценить уровень шумов; б) с облаками аэрозоля. Для зон, где наблюдается аэрозоль, спектральная плотность имеет острый пик в окрестности главной диагонали частотной плоскости. Полезный сигнал в указанных координатах представляет собой плоскую волну в направлении диагонали, и, следовательно, Фурье-разложение такого сигнала будет содержать только гармонические волны вдоль диагонали. Диагональные сечения полученных 2-мерных спектров равны одномерным пространственным спектрам флуктуаций аэрозоля. Одномерные спектры ко-поляризованного сигнала и кросс-поляризованного сигнала подчиняются степенному закону с наклоном от -2 до -2.5. Во флуктуациях наблюдаемого сигнала превалируют эффекты аэрозоля.