Cientistas russos compararam a eficácia de várias técnicas de detecção remota da temperatura da água com base na espectroscopia a laser e avaliaram várias abordagens para a interpretação do perfil espectral. O artigo que detalha o estudo foi publicado em Cartas de Óptica . Os pesquisadores examinaram quatro técnicas de processamento de dados com base nas análises relevantes em publicações anteriores. A técnica que os próprios autores desenvolveram anteriormente era precisa até 0,15 graus Celsius. Os resultados da pesquisa apoiarão o desenvolvimento de soluções de sensoriamento remoto de temperatura da superfície do mar, permitindo que os cientistas acompanhem os fluxos de energia térmica em áreas de difícil acesso, como a região do Ártico, onde as temperaturas médias estão subindo aproximadamente duas vezes mais rápido do que em outras partes do planeta.

Em seu estudo, os cientistas se concentraram na espectroscopia Raman, que é baseado no fenômeno de espalhamento Raman descoberto na década de 1920. Envolve a interação de um meio com uma onda de luz:a luz espalhada é modulada pelas vibrações moleculares do meio, resultando no deslocamento dos comprimentos de onda de alguns dos fótons; em outras palavras, parte da luz espalhada muda de cor. Espalhamento de Raman, e por extensão, o campo da espectroscopia Raman, foram nomeados após Sir C. V. Raman, um físico indiano que recebeu o Prêmio Nobel pela descoberta desse efeito. Interessantemente, A literatura científica russa tende a se referir ao mesmo fenômeno como "espalhamento de combinação, "um termo cunhado para enfatizar sua descoberta independente por pesquisadores soviéticos.

"Com o clima mudando tão rapidamente, o sensoriamento remoto da temperatura da água é uma prioridade, mas as técnicas de radiometria atualmente em uso são precisas apenas até cerca de meio grau. A espectroscopia Raman permite medições com uma precisão muito maior, "afirma Mikhail Grishin, um dos autores do estudo, um Ph.D. estudante no MIPT, e pesquisador do Laboratório de Espectroscopia de Laser do Centro de Pesquisa de Ondas do GPI.

O experimento realizado pelos cientistas envolveu sondar a água com um laser pulsado e usar um espectrômetro para analisar a luz que foi espalhada de volta. Dependendo da temperatura da água, sua banda espectral de vibrações de alongamento OH característica foi transformada de forma variável. Os cientistas precisavam descobrir se era possível estabelecer uma relação clara entre a temperatura da água e um dos parâmetros da banda espectral.

Os cientistas examinaram a dependência da temperatura de vários parâmetros da banda espectral, viz., certas partes da área abaixo do gráfico (ver Fig. 1), espectros diferenciais (o resultado da subtração de dois espectros), e a localização do pico da curva que se ajusta ao espectro de banda. Embora tenha sido possível estabelecer uma relação entre a temperatura da água e cada uma das métricas acima mencionadas, a precisão da medição de temperatura estimada das respectivas técnicas variou. A análise estatística dos dados experimentais mostrou que a dependência da temperatura foi mais pronunciada quando o comprimento de onda que corresponde ao pico da curva que se ajusta ao espectro de banda foi usado como uma métrica. Os cientistas receberam uma patente para a abordagem correspondente à interpretação do perfil espectral pelo escritório de patentes russo.

As temperaturas da água do mar no Ártico são atualmente monitoradas por meio de uma variedade de técnicas, incluindo medições diretas feitas por bóias meteorológicas e navios mercantes ou de pesquisa. Contudo, para rastrear a dinâmica da temperatura da água da superfície do mar em tempo real e em vastas áreas, é necessário fazer observações aéreas usando equipamentos de detecção instalados em aeronaves ou satélites, que irradia a água com um laser e coleta a luz espalhada. Uma resolução espacial de menos de um quilômetro permite aos pesquisadores criar mapas de temperatura muito detalhados que podem ser usados ​​para monitorar a transferência de calor pelas correntes oceânicas, prever a rapidez com que o gelo do Ártico vai derreter, e fazer uma previsão da mudança climática global. À medida que os veículos aéreos não tripulados (UAVs) se tornam melhores, o equipamento de sensoriamento remoto também deve ser melhorado para ser mais preciso, leve, compactar, e com eficiência energética. Os cientistas estão desenvolvendo o software e o sistema detector a laser.

Vasily Lednev, um dos autores do estudo, um dos principais especialistas do Departamento de Certificação e Controle Analítico da NUST MISiS, disse-nos como vê o futuro desta investigação:"Um dos principais obstáculos para a detecção remota da superfície do mar é a necessidade de calibrar os equipamentos e verificar os resultados das medições de satélite em relação às medições de contacto dos parâmetros da água do mar (temperatura, concentração de clorofila, etc.). O desenvolvimento e projeto de sistemas lidar autônomos compactos (radar a laser) que podem ser montados em UAVs nos permitirá obter cartas marítimas detalhadas apresentando uma variedade de parâmetros da água. Esses sistemas lidar também são de interesse imediato para o estudo de objetos difíceis de alcançar e perigosos, como icebergs ou plataformas de gelo. "

As mudanças anuais médias na temperatura dos oceanos do mundo tendem a ser muito pequenas. Atualmente está esquentando apenas um décimo de grau a cada 10 anos, enquanto as variações sazonais de temperatura podem chegar a vários graus. Isso significa que um erro de apenas meio grau causará uma queda significativa na precisão do quadro geral da dinâmica da temperatura obtida. No caso de medições sazonais, a incerteza pode chegar a 20 por cento ou mais, enquanto as tendências climáticas de longo prazo podem permanecer não identificadas devido ao erro de medição.

Os termômetros de sensoriamento remoto atualmente em uso operam na faixa espectral de microondas. A espectrometria de espalhamento Raman tem uma vantagem significativa sobre a radiometria de microondas, pois a radiação laser de sondagem cai na parte visível (azul-verde) do espectro. Ao contrário da radiação de microondas, para o qual a água é quase completamente opaca, a luz visível pode penetrar em uma camada de água de 1 a 10 metros de espessura. Com sensor de microondas, os dados estão disponíveis apenas para a camada superficial de 30 mícrons cuja temperatura é significativamente afetada pelos ventos frios do Ártico. Isso dá origem a um erro, que é quase totalmente evitado em medições baseadas em espalhamento Raman. Para corrigir erros desse tipo, radiômetros de micro-ondas baseados em satélites precisam ser calibrados com base em medições terrestres. Por contraste, A espectrometria Raman não enfrenta esse obstáculo e pode produzir dados úteis independentemente das observações de contato.