Físicos do Instituto de Física e Tecnologia de Moscou desenvolveram um novo método para medições remotas da velocidade do vento. Pode complementar as técnicas de detecção de radar e lidar amplamente utilizadas. O artigo é publicado em Técnicas de Medição Atmosférica .

As medições da velocidade do vento são essenciais para muitas aplicações. Por exemplo, a assimilação desses dados é necessária para o ajuste fino dos modelos climatológicos e meteorológicos, incluindo aqueles usados ​​para previsão do tempo. Apesar do progresso feito em sensoriamento remoto nas últimas décadas, medir o movimento das massas de ar ainda é um desafio. A maior parte dos dados são coletados por meio de métodos tradicionais de contato:por meio de sensores instalados em estações meteorológicas ou balões de sondagem. Anemômetros Lidar ou de sonar são comumente usados ​​para medições locais em distâncias de várias centenas de metros ou menos. Os radares meteorológicos podem ajudar em distâncias de até dezenas de quilômetros. Contudo, os últimos são normalmente ineficazes fora da troposfera - a camada atmosférica mais próxima da Terra, que tem 10 a 18 quilômetros de espessura. As medições diretas baseadas em satélite do movimento das massas de ar são raras, apenas experimentos ocasionais foram realizados.

"Informações sobre a dinâmica atmosférica ainda são bastante difíceis de obter por meio de observações diretas. A partir de hoje, a maneira mais confiável de medir remotamente a velocidade do vento é usando radares Doppler. Esta técnica envolve sondar o ambiente com uma fonte poderosa de radiação e, portanto, consome recursos consideráveis, incluindo poder, massa do equipamento, Tamanho, e custo. Nosso instrumento oferece uma vantagem em termos desses parâmetros:é compacto, barato, e envolve componentes comerciais disponíveis no mercado de telecomunicações, "disse o principal autor do estudo, Alexander Rodin, que dirige o Laboratório de Espectroscopia de Infravermelho Aplicado no MIPT.

O instrumento é baseado no princípio de detecção heteródina, a base de muitas aplicações de engenharia de rádio. Contudo, deve-se notar que o instrumento opera na óptica, ou para ser mais preciso, a faixa do infravermelho próximo - em um comprimento de onda de 1,65 micrômetros. O princípio de operação é baseado na combinação do sinal recebido (neste caso, radiação solar que passou pela atmosfera) e uma fonte de etalon (oscilador local), nomeadamente, um díodo laser sintonizável. Uma vez que as leis de propagação de ondas eletromagnéticas são as mesmas para todas as faixas espectrais, o princípio da heterodinação é igualmente aplicável aos sinais de rádio e à radiação infravermelha.

Contudo, a heterodinação enfrenta certas dificuldades se aplicada ao alcance óptico. Por exemplo, a correspondência altamente precisa de frentes de onda é necessária, já que o deslocamento até mesmo por uma fração de um comprimento de onda é inaceitável. A equipe MIPT empregou uma solução simples, aplicar uma fibra óptica monomodo.

Um outro desafio é a necessidade de controle de frequência extremamente preciso do oscilador local, com um erro de no máximo 1 MHz, uma quantidade ínfima em comparação com a frequência de radiação óptica. Para endereçar isto, a equipe teve que empregar uma abordagem complicada e se aprofundar nos processos de emissão de laser de diodo. Esses esforços resultaram em um novo instrumento - um espectrorradiômetro heteródino a laser experimental - caracterizado por uma resolução espectral sem precedentes na faixa do infravermelho próximo. Ele mede o espectro de absorção atmosférica infravermelho com uma resolução espectral ultra-alta, tornando possível recuperar a velocidade do vento com uma precisão de 3 a 5 metros por segundo.

"Construindo um instrumento, mesmo com características de registro, é apenas metade da história, "Rodin disse." Para recuperar a velocidade do vento em várias altitudes até a estratosfera usando os espectros medidos, você precisa de um algoritmo especial que resolva o problema inverso. "

"Decidimos não usar o aprendizado de máquina, mas implementar uma abordagem clássica baseada na regularização de Tikhonov. Apesar de esse método ser conhecido há mais de meio século, é amplamente utilizado em todo o mundo, e suas capacidades estão longe de se esgotar, "disse o cientista.

Os cálculos permitirão a recuperação do perfil do vento vertical da superfície até cerca de 50 quilômetros. Com base no espectrorradiômetro relativamente simples e acessível, no futuro, pode-se criar extensas redes de monitoramento atmosférico.

O Laboratório de Espectroscopia de Infravermelho Aplicado do MIPT está planejando realizar uma campanha de observação para medir o vórtice polar da estratosfera, bem como a concentração de gases de efeito estufa no Ártico Russo com seu instrumento recém-desenvolvido. Além disso, em cooperação com o Instituto de Pesquisa Espacial da Academia Russa de Ciências, o laboratório está desenvolvendo um instrumento para estudos da atmosfera de Vênus baseado no mesmo princípio. O instrumento será instalado a bordo do orbitador de Vênus da Índia no âmbito da cooperação internacional.