Российская академия наук
Сибирское отделение
ОПТИКА АТМОСФЕРЫ И ОКЕАНА
Том 27, ¹ 10
îêòÿáðü, 2014
Научный журнал
Основан в январе 1988 года академиком В.Е. Зуевым
Выходит 12 раз в год
Главный редактор
доктор физ.-мат. наук Г.Г. Матвиенко
Заместители главного редактора
доктор ôèç.-ìàò. наук Á.Ä. Áåëàí,
доктор физ.-мат. наук Ю.Н. Пономарев
Ответственный секретарь
доктор физ.-мат. наук В.А. Погодаев
Редакционная коллегия
Багаев С.Н., академик РАН, Институт лазерной физики (ИЛФ) СО РАН, г. Новосибирск, Россия;
Банах Â.À., ä.ô.-ì.í., Институт оптики атмосферы èì. Â.Å. Зуева (ÈÎÀ) СО ÐÀÍ, ã. Òîìñê, Ðîññèÿ;
Белов Â.Â., ä.ô.-ì.í., ИОА СО ÐÀÍ, ã. Òîìñê, Ðîññèÿ;
Букин О.А., д.ф.-м.н., Дальневосточная морская академия им. адмирала Г.И. Невельского, г. Владивосток, Россия;
Голицын Г.С., академик РАН, Институт физики атмосферы им. А.М. Обухова (ИФА) РАН, г. Москва, Россия;
Еланский Í.Ô., ÷ë.-êîð. ÐÀÍ, ИФА ÐÀÍ, ã. Ìîñêâà, Ðîññèÿ;
Землянов À.À., ä.ô.-ì.í., ИОА СО ÐÀÍ, ã. Òîìñê, Ðîññèÿ;
Кандидов В.П., д.ф.-м.н., Международный лазерный центр МГУ им. М.В. Ломоносова, г. Москва, Россия;
Кулмала М. (Kulmala M.), проф., руководитель Отдела атмосферных наук кафедры физики, Университет г. Хельсинки,
Финляндия;
Лукин Â.Ï., ä.ô.-ì.í., ИОА СО ÐÀÍ, ã. Òîìñê, Ðîññèÿ;
Михайлов Г.А., чл.-кор. РАН, Институт вычислительной математики и математической геофизики СО РАН,
г. Новосибирск, Россия;
Павлов В.Е., д.ф.-м.н., Институт водных и экологических проблем СО РАН, г. Барнаул, Россия;
Панченко Ì.Â., ä.ô.-ì.í., ИОА СО ÐÀÍ, ã. Òîìñê, Ðîññèÿ;
Ражев À.Ì., ä.ô.-ì.í., ИЛФ СО ÐÀÍ, ã. Новосибирск, Ðîññèÿ;
Тарасенко В.Ф., д.ф.-м.н., Институт сильноточной электроники СО РАН, г. Томск, Россия;
Шабанов В.Ф., академик РАН, Красноярский научный центр СО РАН, г. Красноярск, Россия;
Шайн К. (Shine K.P.), член Английской академии наук, королевский профессор метеорологических и климатических
наук, Департамент метеорологии, Университет г. Рединга, Великобритания;
Циас Ф. (Ciais P.), проф., научный сотрудник Лаборатории климатических наук и окружающей среды совместного научно-исследовательского
подразделения Комиссариата атомной энергии и Национального центра научных исследований
(НЦНИ) Франции, г. Жиф-сюр-Иветт, Франция
Совет редколлегии
Борисов Ю.А., к.ф.-м.н., Центральная аэрологическая обсерватория, г. Долгопрудный Московской обл., Россия;
Заворуев В.В., д.б.н., Институт вычислительного моделирования СО РАН, г. Красноярск, Россия;
Ивлев Л.С., д.ф.-м.н., Научно-исследовательский институт физики им. В.А. Фока при СПбГУ, г. Санкт-Петербург, Россия;
Игнатьев А.Б., д.т.н., ГСКБ концерна ПВО «Алмаз-Антей» им. академика А.А. Расплетина, г. Москва, Россия;
Кабанов М.В., чл.-кор. РАН, Институт мониторинга климатических и экологических систем СО РАН, г. Томск, Россия;
Михалев А.В., д.ф.-м.н., Институт солнечно-земной физики СО РАН, г. Иркутск, Россия;
Якубов В.П., д.ф.-м.н., Национальный исследовательский Томский государственный университет, г. Томск, Россия
Зав. редакцией С.Б. Пономарева
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки
Институт оптики атмосферы им. В.Е. Зуева СО РАН
Ðîññèÿ, 634021, ã. Òîìñê, ïë. Академика Çóåâà, 1
Адрес ðåäàêöèè: 634021, ã. Òîìñê, ïë. Академика Çóåâà, 1
Òåë. (382-2) 49-24-31, 49-19-28; факс (382-2) 49-20-86
E-mail: psb@iao.ru
http://www.iao.ru
Сибирское отделение ÐÀÍ, 2014
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки
Институт оптики атмосферы èì. Â.Å. Зуева СО ÐÀÍ, 2014
Стр.1
СОДЕРЖАНИЕ
Том 27, ¹ 10 (309), c. 849–936
СПЕКТРОСКОПИЯ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ
Гейнц Ю.Э., Землянов А.А. Влияние молекулярного поглощения приземной атмосферной трассы на характеристики
области филаментации мощного излучения CO2
Тихомиров Б.А. Изменение сдвига центра линии поглощения Н2
-ëàçåðà ......................................... 851
О 694,380 нм в зависимости от давления âîäîðîäà. 859
ОПТИЧЕСКИЕ МОДЕЛИ И БАЗЫ ДАННЫХ ОПТИЧЕСКОЙ
ИНФОРМАЦИИ ОБ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЕ
Коршунов В.А., Зубачев Д.С., Мерзляков Е.Г., Jacobi Ch. Результаты определения аэрозольных характеристик
средней атмосферы методом двухволнового лидарного зондирования и их сопоставление с измерениями
метеорного радиоэхо ............................................................................ 862
Поддубный В.А., Наговицына Е.С. Оценка погрешностей и верификация метода флюид-локации атмосферы ..... 869
Землянов А.А., Булыгин А.Д. Колебания заряженной водной капли в условиях сильных деформаций в приближении
эллипсоидальной формы поверхности .............................................................. 878
Гладких В.А., Невзорова И.В., Одинцов С.Л., Ф¸доров В.А. Структурные функции компонент вектора ветра над
неоднородной подстилающей ïîâåðõíîñòüþ.......................................................... 882
Варламова Е.В., Соловьев В.С. Исследование вариаций индекса NDVI тундровой и таежной зон Восточной
Сибири на примере территории Якутии ............................................................. 891
Комаров В.С., Нахтигалова Д.П., Ильин С.Н., Лавриненко А.В., Ломакина Н.Я. Климатическое районирование
территории Сибири по режиму общей и нижней облачности как основа для построения локальных облачных
моделей атмосферы. Часть 1. Методические основы ................................................... 895
Комаров В.С., Нахтигалова Д.П., Ильин С.Н., Лавриненко А.В., Ломакина Н.Я. Климатическое районирование
территории Сибири по режиму общей и нижней облачности как основа для построения локальных облачных
моделей атмосферы. Часть 2. Результаты климатического районирования ................................. 899
Юсупов Д.В., Радомская В.И., Павлова Л.М., Трутнева Н.В., Ильенок С.С. Тяжелые металлы в пылевом
аэрозоле северо-западной промышленной зоны ã. Благовещенска (Àìóðñêàÿ îáëàñòü)........................ 906
АППАРАТУРА И МЕТОДЫ ОПТИЧЕСКОЙ ДИАГНОСТИКИ
ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ
Банах В.А., Смалихо И.Н., Фалиц А.В., Белан Б.Д., Аршинов М.Ю., Антохин П.Н. Совместные радиозондовые
и доплеровские лидарные измерения ветра в пограничном слое атмосферы ................................ 911
Лушев В.П., Литвинов А.В., Демидов Н.Ю., Козлов С.Н., Рейно В.В. Динамика подъема облака продуктов
сгорания при огневой утилизации зарядов твердотопливных энергоустановок на открытом стенде. Процессы и их
èäåíòèôèêàöèÿ................................................................................. 917
АДАПТИВНАЯ И ИНТЕГРАЛЬНАЯ ОПТИКА
Лавринов В.В., Лавринова Л.Н., Туев М.В. Численное исследование алгоритма вычисления напряжений, управляющих
гибким çåðêàëîì, в зависимости от представления информации о волновом фронте .................. 925
Артыщенко С.В., Головинский П.А., Чернов Р.А. Восстановление фазы волнового фронта
с использованием
комплексной нейронной ñåòè...................................................................... 932
îêòÿáðü, 2014 ã.
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки
Институт оптики атмосферы им. В.Е. Зуева СО РАН, Томск
«Îïòèêà атмосферы и îêåàíà», 2014
Стр.2
CONTENTS
Vol. 27, No. 10 (309), p. 849–936
Spectroscopy of ambient medium
Geynts Yu.E., Zemlyanov A.A. Influence of molecular absorption of the ground atmospheric path on characteristics
of the filamentation range of high-power CO2
-laser radiation ............................................. 851
Tikhomirov B.A. Behavior of the position of 694.380 nm water vapor absorption line in dependence on the hydrogen
pressure....................................................................................... 859
Optical models and databases
Korshunov V.A., Zubachev D.S., Merzlyakov E.G., Jacobi Ch. Results of determination of the middle atmosphere
aerosol characteristics by means of two wavelengths lidar sensing and comparison with meteor radio echo
measurements .................................................................................. 862
Poddubny V.A., Nagovitsyna E.S. Estimation of errors and verification of the fluid location of atmosphere method . . . 869
Zemlyanov A.A., Bulógin A.D. Vibrations of a charged water drop in the conditions of strong
deformations
in approach of the ellipsoidal form of the surface....................................................... 878
Gladkikh V.A., Nevzorova I.V., Odintsov S.L., Fedorov V.A. Structure functions of wind velocity components over
inhomogeneous underlying surface .................................................................. 882
Varlamova E.V., Solovyev V.S. Study of NDVI variations at tundra and taiga areas of Eastern Siberia (Yakutia) .... 891
Komarov V.S., Nakhtigalova D.P., Il’in S.N., Lavrinenko A.V., Lomakina N.Ya. Climatic zoning of the Siberia
territory according to the total and lower cloudiness conditions as a basis for construction of local cloud atmosphere
models. Part 1. Methodical bases................................................................... 895
Komarov V.S., Nakhtigalova D.P., Il’in S.N., Lavrinenko A.V., Lomakina N.Ya. Climatic zoning of the Siberia
territory according to the total and lower cloudiness conditions as a basis for construction of local cloud atmosphere
models. Part 2. The results of climatic zoning ......................................................... 899
Yusupov D.V., Radomskaya V.I., Pavlova L.M., Trutneva N.V., Il’enok S.S. Heavy metals in dust aerosols on the
northwest industrial area of Blagoveshchensk (Amur region).............................................. 906
Optical instrumentation
Banakh V.A., Smalikho I.N., Falits A.V., Belan B.D., Arshinov M.Yu., Antokhin P.N. Joint radiosonde and Doppler
lidar measurements of wind in the atmospheric boundary layer ............................................ 911
Lushev V.P., Litvinov A.V., Demidov N.Yu., Kozlov S.N., Reyno V.V. Lift dynamics of a cloud of combustion
products at fire utilization of charges of solid-fuel power plants at an open test bench. Processes and their
identification................................................................................... 917
Adaptive and integral optics
Lavrinov V.V., Lavrinova L.N., Tuev M.V. Numerical simulation of the algorithm to compute the voltage control for
the flexible mirror depending on the representation of information on the wavefront ......................... 925
Artyshchenko S.V., Golovinski P.A., Chernov R.A. Reconstruction of the wavefront phase with the use of a complex
neural network ................................................................................. 932
October 2014
Стр.3
ОПТИКА АТМОСФЕРЫ И ОКЕАНА . Ò. 27, ¹ 10. 2014
Редактор А.В. Лисевич
Технический редактор Н.С. Заварзина
Корректоры М.А. Андросова, Г.Г. Иванова
Верстка оригинала-макета Л.К. Болотовой, Т.В. Исаевой
______________________________________________________________________
Лицензия ИД ¹ 03420 от 05.12.2000 ã.
Сдано на верстку 4.07.2014 ã. Подписано к печати 25.09.2014 ã. Формат 60 84⅛. Печать îôñåòíàÿ.
Бумага îôñåòíàÿ. Гарнитура «Êóäðÿøîâ». Óñë. ïå÷. ë. 10,2. Ó÷.-èçä. ë. 9,7.
Èçä. ¹ 309. Тираж 250 ýêç. Заказ ¹ 59.
Журнал зарегистрирован в Комитете РФ по печати 5.04.96 ã. Регистрационный ¹ 01337.
______________________________________________________________________
Институт оптики атмосферы èì. Â.Å. Зуева СО ÐÀÍ, 634021, ã. Òîìñê, ïë. Академика Çóåâà, 1.
Тираж отпечатан в типографии ИОА СО РАН.
634021, ã. Òîìñê, ïë. Академика Çóåâà, 1.
Стр.4
«Îïòèêà атмосферы и îêåàíà», 27, ¹ 10 (2014)
СПЕКТРОСКОПИЯ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ
УДК 530.182.551.510.42+535.621.33
Влияние молекулярного поглощения приземной
атмосферной трассы на характеристики области
филаментации мощного излучения CO2-лазера
Þ.Ý. Ãåéíö, À.À. Çåìëÿíîâ*
Институт оптики атмосферы им. В.Е. Зуева СО РАН
634021, ã. Òîìñê, ïë. Академика Çóåâà, 1
Поступила в редакцию 14.02.2014 ã.
CO2
Рассмотрены теоретические аспекты самофокусировки и филаментации мощного импульсного излучения
-лазера с несущей длиной волны 10,6 мкм в атмосферном воздухе. В численной модели проведен учет селективного
молекулярного поглощения оптической трассы. Показано, что в условиях суперконтинуального
уширения частотного спектра лазерного импульса, происходящего в результате его самовоздействия, атмосферное
поглощение дестабилизирует сам процесс филаментации, искажая частотный спектр излучения и сокращая
длину формируемого в канале пучка плазменного канала.
Ключевые слова: ультракороткое лазерное излучение, самофокусировка, филаментация, ионизация, лазерная
ïëàçìà; ultra-short laser radiation, self-focusing, filamentation, ionization, laser plasma.
Введение
Распространение импульсного лазерного излучения
высокой мощности в воздухе проходит, как
правило, в режиме сильной оптической нелинейности
среды. Это выражается в пространственно-временной
самомодуляции импульса, широкомасштабных
изменениях его спектрального состава, фрагментации
пучка на высокоинтенсивные световые области –
филаменты, формировании на трассе протяженных
плазменных каналов высокой плотности (см. [1–6]).
Всю эту совокупность нелинейных трансформаций,
происходящих с лазерным импульсом, называют филаментацией
излучения. Область практического применения
явления филаментации достаточно широка
и простирается от лазерных технологий получения
предельно коротких импульсов [7] до атмосферного
зондирования и управления электрическим разрядом
[8]. В настоящее время подавляющее большинство
экспериментальных и расчетных работ по тематике
самофокусировки и филаментации излучения выполнено
для УФ-, видимого и ближнего ИК-диапазонов
длин волн, что исторически объясняется
созданием в конце ХХ в. надежного и коммерчески
успешного фемтосекундного лазера на кристалле
сапфира.
В то же время прогресс в лазерной технологии
привел к появлению источников импульсного излучения
гига- и тераваттного уровня мощности в более
длинноволновой части спектра [9, 10]. В частности,
______________
* Юрий Эльмарович Гейнц (ygeints@iao.ru); Александр
Анатольевич Землянов (zaa@iao.ru).
Гейнц Þ.Ý., Землянов À.À., 2014
в научном сообществе активно обсуждаются перспективы
использования излучения современных газовых
CO2-лазеров высокого давления, способных генерировать
тераваттные импульсы пикосекундной и субпикосекундной
длительности в диапазоне 10 мкм
[11, 12]. Важным преимуществом такого относительно
длинноволнового излучения является то, что его
несущая длина волны попадает в окно прозрачности
атмосферы. Кроме того, в данном диапазоне пороговая
мощность, необходимая для реализации самофокусировки
импульса, значительно выше и составляет
порядка 1 ТВт (â ближней ИК-области 10 ÃÂò),
а значит, возрастает и лучевая прочность воздушной
трассы.
Ранее в теоретических работах [13, 14] были
установлены основные закономерности взаимодействия
тераваттного десятимикронного импульсного излучения
с газовой средой в режиме самофокусировки
пучка. Отличительными чертами самовоздействия
излучения CO2-лазера по сравнению с филаментацией
в видимом и ближнем ИК-диапазонах является
формирование достаточно протяженного и широкого
в поперечнике плазменного канала, а также масштабное
спектральное уширение импульса после прохождения
им участка филаментации. В частности, в теоретической
работе [14] было показано, что самовоздействие
пикосекундного излучения CO2-лазера
с пиковой мощностью порядка 3 ТВт на 300-м воздушной
трассе характеризуется увеличением ширины
спектра импульса в целую октаву, примерно от
3 до 30 ìêì.
Вместе с тем в упомянутых выше исследованиях
атмосферный воздух моделировался монокомпонентной
газовой средой, состоящей из молекулярного
851
Стр.5