Ученые радиофизического факультета Томского государственного университета разработали метод, позволяющий точно обнаруживать и определять характеристики конденсационных следов самолетов в атмосфере. Такие следы визуально и по своим оптическим свойствам похожи на облака верхнего яруса, которые играют важную роль в теплообмене в атмосфере Земли. Однако в большинстве климатических моделей их влияние учитывается не в полной мере, в том числе из-за сложностей исследования. Новый подход, основанный на использовании данных высотного матричного поляризационного лидара и других источников, поможет лучше понять атмосферные процессы с участием конденсационных следов. В перспективе это повысит качество климатических и метеорологических прогнозов. Результаты работы опубликованы в журнале Atmosphere (Q2).
Точность современных краткосрочных прогнозов погоды составляет 90–95%. Тем не менее, нередкими остаются локальные отклонения, особенно в прогнозировании осадков. Во многом это происходит из-за недостаточной изученности ряда атмосферных процессов. Одним из таких малоизученных факторов являются облака верхнего яруса (ОВЯ). Они формируются на высотах 6–12 километров и обладают значительной горизонтальной протяженностью (до тысячи километров), покрывая в разные моменты от 20 до 50% поверхности Земли. Такие облака играют важную роль в радиационном балансе планеты, непосредственно влияющем на климат.
— Облака верхнего яруса состоят в основном из ледяных кристаллов разных размеров и формы, которые при определенных условиях имеют преимущественно горизонтальную ориентацию. Такое облако работает как зеркало, — объясняет Илья Брюханов, доцент кафедры оптико-электронных систем и дистанционного зондирования, заведующий научно-исследовательской лабораторией лазерного зондирования РФФ ТГУ. — Определенная часть излучения, направляющегося к поверхности Земли, не проходит сквозь это облако и возвращается обратно в космос. Тогда облако работает на выхолаживание атмосферы. С другой стороны, излучение от остывающей поверхности Земли на пути в космос также встречает эти «зеркала», что способствует парниковому эффекту.
По мнению ученых РФФ, баланс между этими двумя процессами не до конца изучен и нельзя сказать в определенный момент времени, способствует ли облако охлаждению или нагреванию атмосферы. Кроме того, контактные приборы, работа которых основана на заборе проб исследуемой среды, не позволяют определять ориентацию частиц льда в облаках. Все это, вероятно, приводит к ошибкам в расчетах радиационного баланса Земли и снижает точность прогнозов погоды и климата.
Фото предоставил Илья Брюханов
Для определения ориентации ледяных частиц в ОВЯ ученые ТГУ применяют высотный матричный поляризационный лидар — уникальную установку, созданную на радиофизическом факультете ТГУ. Это единственный лидар в мире, позволяющий получить в поляризационных измерениях все элементы матрицы обратного рассеяния: размеры, форму и ориентацию частиц в нем. Полный цикл необходимых поляризационных измерений лидар выполняет всего за две секунды, а рассеянное атмосферой излучение принимается с высот до 15 километров.
Помимо лидара, для распознавания конденсационных следов самолетов радиофизики ТГУ использовали данные ADS-B мониторинга воздушного движения, радиозондирования в Новосибирске и Колпашеве, а также реанализа ERA5 Европейского центра среднесрочных прогнозов погоды. Данные реанализа томские ученые использовали для этой цели впервые.
Реанализ ERA5 — это набор результатов метеорологических измерений с 1979 года, полученный из большого количества источников по всему миру: морских буев, самолетов, наземных метеостанций, радиозондов, спутников и прочего. Эти данные направляются в качестве входных параметров в модель, которая восстанавливает вертикальные профили метеовеличин с почасовым разрешением даже в тех точках, где измерения не проводились. Такой источник информации особенно актуален для городов, как Томск — где нет собственных метеостанций, проводящих именно такие необходимые измерения.
— До недавнего времени мы ориентировались на данные аэрологического зондирования в сети Росгидромета. По правилам Всемирной метеорологической организации, станции дважды в сутки запускают радиозонды, измеряющие параметры атмосферы: атмосферное давление, температуру воздуха и другое. Но, увы, ближайшие к Томску станции находятся в 210–240 километрах, — поясняет Илья Брюханов. — С данными реанализа мы можем получать актуальные для нас значения метеовеличин на высотах формирования исследуемых облаков, и не дважды в сутки, а каждый час. Это дает нам возможность точнее рассчитывать параметры атмосферы и дрейфа конденсационных следов самолетов.
Гипотезу о том, что использование реанализа в сочетании с другими источниками данных позволит сделать расчеты дрейфа конденсационных следов (и, вместе с тем, их идентификацию на основе данных лидарного зондирования) более точными, проверили на конкретном случае — эксперименте по лидарному зондированию следа самолета Boeing 777-F, пролетевшего 6 февраля 2023 года вблизи Томска на высоте 10,3 километров. Ученые рассчитали длительность дрейфа следа и время его появления в поле зрения приемной системы лидара. После они сравнили данные, рассчитанные на основе реанализа ERA5, с данными, полученными на основе измерений радиозондов. Разница в расчетах оказалась минимальной. Отличия в направлении ветра составили 12 градусов, в скорости ветра — 2 метра в секунду, а время появления следа совпало с точностью до 10 минут.
— Мы действительно начали фиксировать аэрозольный слой на высоте 9–10,5 километров примерно в то время, которое рассчитывали. Это позволило с высокой уверенностью идентифицировать его как след конкретного самолета, чью траекторию мы анализировали. Таким образом, реанализ ERA5 можно использовать в таких задачах как альтернативу или дополнение к данным аэрологического зондирования, — отмечает Илья Брюханов. — Этот инструмент, как и подобные ему, может применяться для интерпретации результатов лидарного зондирования атмосферы с высокой достоверностью.
Илья Брюханов подчеркнул, что сотрудники радиофизического факультета проводят исследования в этом направлении в рамках проектов, поддержанных грантами Российского научного фонда. Работа ведется совместно с коллегами из лаборатории анализа данных физики высоких энергий физического факультета ТГУ.
В рамках первого гранта РНФ (№ 24-72-10127) ученые работают над созданием инструмента для комплексной оценки характеристик облаков верхнего яруса, а также определения условий и частоты их наблюдения на основе сопоставления лидарных, спутниковых и метеорологических данных. Второй грант (№ 24-77-00097) направлен на развитие методик поляризационного лидарного зондирования и обработки получаемых данных. Также сотрудники ТГУ участвуют в работах, поддержанных правительством Российской Федерации (соглашение № 075-15-2025-009 от 28.02.2025 г.).
