Российская академия наук
Сибирское отделение
ОПТИКА АТМОСФЕРЫ И ОКЕАНА
Том 28, ¹ 2
ôåâðàëü, 2015
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, 634055, ã. Òîìñê, ïë. Академика Çóåâà, 1
Адрес ðåäàêöèè: 634055, 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, 2015
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки
Институт оптики атмосферы èì. Â.Å. Зуева СО ÐÀÍ, 2015
Стр.1
СОДЕРЖАНИЕ
Том 28, ¹ 2 (313), c. 103–196
РАСПРОСТРАНЕНИЕ ОПТИЧЕСКИХ ВОЛН
Мануйлович Е.С., Астапенко В.А., Головинский П.А. Распространение ультракоротких лазерных импульсов
в сухом и влажном âîçäóõå....................................................................... 105
Банах В.А., Разенков И.А. Аэрозольный лидар для исследования усиления обратного атмосферного рассеяния.
II. Конструкция и ýêñïåðèìåíò.................................................................... 113
Носов В.В., Лукин В.П., Носов Е.В., Торгаев А.В. Моделирование когерентных структур (топологических
солитонов) в закрытых помещениях путем численного решения уравнений гидродинамики ................... 120
ОПТИКА КЛАСТЕРОВ, АЭРОЗОЛЕЙ И ГИДРОЗОЛЕЙ
Вилисова Е.А., Черняк В.Г. Аккомодационная зависимость термофореза в газах в кнудсеновском режиме........ 134
Жилкин С.В., Харламов Г.В. Исследование диффузии леннард-джонсовских частиц в условиях фазового перехода
методом молекулярной динамики .................................................................. 138
Абдуллаев С.Ф., Маслов В.А., Назаров Б.И., Мадвалиев У., Давлатшоев Т. Содержание элементов в пробах
почв и пылевого аэрозоля в Òàäæèêèñòàíå........................................................... 143
ОБРАТНЫЕ ЗАДАЧИ ОПТИКИ АТМОСФЕРЫ И ОКЕАНА
Поляков А.В., Тимофеев Ю.М., Поберовский А.В., Виролайнен Я.А. Учет высоких приземных концентраций
атмосферных паров соляной кислоты при наземных спектроскопических измерениях ........................ 153
Десятков Б.М., Лаптева Н.А., Шабанов А.Н. Математический метод поиска в атмосфере неизвестных точечных
источников газов и аэрозолей ..................................................................... 159
ДИСТАНЦИОННОЕ ЗОНДИРОВАНИЕ АТМОСФЕРЫ,
ГИДРОСФЕРЫ И ПОДСТИЛАЮЩЕЙ ПОВЕРХНОСТИ
Лукин Â.Ï., Ботыгина Í.Í., Гладких Â.À., Емалеев Î.Í., Коняев Ï.À., Одинцов Ñ.Ë., Торгаев À.Â. Cравнительные
измерения уровня турбулентности атмосферы с помощью оптических и акустических измерителей ............. 163
Запевалов А.С., Лебедев Н.Е., Показеев К.В. Влияние
топографической структуры морской поверхности
на погрешность определения приводного ветра спутниковыми оптическими сканерами ....................... 167
Дембелов М.Г., Башкуев Ю.Б., Лухнев А.В., Лухнева О.Ф., Саньков В.А. Диагностика содержания атмосферного
водяного пара по данным GPS-èçìåðåíèé ........................................................... 172
АТМОСФЕРНАЯ РАДИАЦИЯ, ОПТИЧЕСКАЯ ПОГОДА И КЛИМАТ
Лапченко В.А., Звягинцев А.М. Малые газовые составляющие атмосферы в Карадагском природном заповеднике в
Крыму ....................................................................................... 178
Тартаковский В.А. Cинхронный анализ рядов чисел Вольфа и температуры с метеостанций Cеверного полушария
Земли ........................................................................................ 182
АДАПТИВНАЯ И ИНТЕГРАЛЬНАЯ ОПТИКА
Рукосуев А.Л., Кудряшов А.В., Лылова А.Н., Самаркин В.В., Шелдакова Ю.В. Адаптивная оптическая система
для коррекции волнового фронта в реальном времени ................................................. 189
Информация ....................................................................................
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки
Институт оптики атмосферы им. В.Е. Зуева СО РАН, Томск
«Îïòèêà атмосферы и îêåàíà», 2015
196
ôåâðàëü, 2015 ã.
Стр.2
CONTENTS
Vol. 28, No. 2 (313), p. 103–196
Optical wave propagation
Manuylovich E.S., Astapenko V.A., Golovinskii P.A. Propagation of ultrashort laser pulses in humid and dry air .... 105
Banakh V.A., Razenkov I.À. Aerosol lidar for study of the backscatter amplification in the atmosphere. Part II.
Construction and experiment ...................................................................... 113
Nosov V.V., Lukin V.P., Nosov E.V., Torgaev A.V. Simulation of coherent structures (topological solitons) inside
closed rooms by solving numerically hydrodynamic equations ............................................. 120
Optics of clusters, aerosols, and hydrosoles
Vilisova Å.À., Chernyak V.G. Accommodation dependence of thermophoresis in gases under Knudsen mode ......... 134
Zhilkin S.V., Kharlamov G.V. Investigation of the diffusion of Lennard-Jones particles in phase transition conditions
by the molecular dynamics method ................................................................. 138
Abdullaev S.F., Maslov V.A., Nazarov B.I., Madvaliev U., Davlatshoev T. Content of elements in soil and dust
aerosols in Tajikistan ............................................................................ 143
Inverse problems of atmospheric and ocean optics
Polyakov A.V., Timofeyev Yu.M., Poberovskii A.V., Virolainen Ya.A. The consideration for high near-surface
concentrations of hydrochloric acid vapor in the atmosphere through ground-based spectroscopic measurements ...... 153
Desyatkov B.M., Lapteva N.A., Shabanov A.N. A mathematical method of search for unknown point sources of gases
and aerosols in the atmosphere ..................................................................... 159
Remote sensing of atmosphere, hydrosphere, and underlying surface
Lukin V.P., Botygina N.N., Gladkikh V.A., Emaleev O.N., Konyaev P.A., Odintsov S.L., Torgaev A.V. Comparative
measurements of atmospheric turbulence level with optical and acoustic meters ............................... 163
Zapevalov A.S., Lebedev N.E., Pokazeev K.V. Influence of sea surface topography on the error of wind speed
measurement with satellite optical scanners .......................................................... 167
Dembelov M.G., Bashkuev Yu.B., Loukhnev A.V., Loukhneva O.F., San’kov V.A. Diagnostics of the content of
atmospheric water vapor according to data of GPS measurements .......................................... 172
Atmospheric radiation, optical weather, and climate
Lapchenko V.A., Zvyagintsev A.M. Minor atmospheric gases in the Karadag nature reservate, the Crimea .......... 178
Tartakovsky V.A. Synchronous analysis of the Wolf numbers and temperature series from weather station in the
Northern Hemisphere of the Earth .................................................................. 182
Adaptive and integral optics
Rukosuev A.L., Kudryashov A.V., Lylova A.N., Samarkin V.V., Sheldakova Yu.V. Adaptive optical system for realtime
wavefront correction ........................................................................ 189
Information .....................................................................................
196
February 2015
V.E. Zuev Institute of Atmospheric Optics,
Siberian Branch, Russian Academy of Sciences
Optika Atmosfery i Okeana, 2015
Стр.3
«Îïòèêà атмосферы и îêåàíà», 28, ¹ 2 (2015)
РАСПРОСТРАНЕНИЕ ОПТИЧЕСКИХ ВОЛН
УДК 551.510.61
Распространение ультракоротких лазерных импульсов
в сухом и влажном воздухе
Å.Ñ. Ìàíóéëîâè÷1, Â.À. Àñòàïåíêî1, Ï.À. Ãîëîâèíñêèé1,2*
1 Московский физико-технический институт (государственный университет)
141700, Московская îáë., ã. Долгопрудный, Институтский ïåð., 9
2 Воронежский государственный архитектурно-строительный университет
394030, ã. Âîðîíåæ, óë. 20-ëåòèÿ Îêòÿáðÿ, 84
Поступила в редакцию 8.08.2014 ã.
Рассмотрено распространение ультракороткого лазерного импульса в атмосфере с учетом дифракции
и дисперсионных свойств атмосферы. Представлены результаты численного моделирования распространения
импульсов длительностью от единиц до десятков фемтосекунд в воздухе при комнатной температуре. Продемонстрировано
быстрое расплывание таких импульсов при скорректированной гауссовой форме временной
огибающей. Рассчитано распространение импульса с отрицательным начальным чирпом в сухом и влажном
воздухе, позволяющим частично скомпенсировать эффекты дисперсии и дифракции. Получена зависимость
расстояния, на котором длительность импульса становится минимальной, от влажности воздуха.
Ключевые слова: ультракороткий импульс, дисперсия воздуха, дифракция, распространение, влажность,
÷èðï; ultrashort pulse, air dispersion, diffraction, propagation, humidity, chirp.
Введение
Распространение лазерного излучения в атмосфере
представляет значительный интерес как с точки
зрения общих закономерностей этого явления, так
и в связи с многообразными практическими приложениями
[1]. Значительная часть усилий в этой области
была направлена на исследование распространения
лазерных импульсов большой интенсивности,
для которых важную роль играют оптические нелинейности
[2, 3]. Использование распространяющихся
импульсов значимо для исследования характеристик
атмосферы, включая измерение времен релаксации
и декогеренции [4, 5]. Существенное влияние
на распространение лазерных импульсов в атмосфере
оказывает ее турбулентность [6–8]. Вносимые ею
искажения могут быть частично скомпенсированы
методами адаптивной оптики [9–11].
Понимание характера распространения ультракоротких
импульсов (УКИ) малой интенсивности
в атмосфере в рамках линейной электродинамики
необходимо для метеорологических и геодезических
измерений, а также для организации беспроводной
оптической передачи данных [12]. Такие измерения,
а также связанные с ними теоретические расчеты эффектов
распространения требуют точного учета дисперсии
воздуха, так как при регистрации сигнала
______________
* Егор Сергеевич Мануйлович (manues655@gmail.com);
Валерий Александрович Астапенко (astval@mail.ru); Павел
Абрамович Головинский (golovinski@bk.ru).
Мануйлович Å.Ñ., Астапенко Â.À., Головинский Ï.À., 2015
необходимо уметь отделять эффекты искажения импульса
зондирующего излучения в атмосфере от воздействия
самой измеряемой величины. При организации
воздушной оптической передачи данных влияние
дисперсионного расплывания импульса накладывает
ограничения на минимальную длительность импульса
и, следовательно, пропускную способность канала,
а поглощение в атмосфере – на максимальную дистанцию
передачи сигнала.
Реальные лазерные импульсы имеют конечный
поперечный размер, что подразумевает наличие дифракционного
пространственного расплывания длинных
импульсов, а для коротких импульсов – формирование
сложной пространственно-временной динамики
[13–16]. Однако существенные изменения
пространственно-временной структуры импульса в процессе
его линейного распространения в вакууме обнаружены
теоретически и экспериментально [17, 18]
только для малоцикловых импульсов и апертур,
сопоставимых с продольными размерами импульсов
или вблизи каустик.
Дисперсионное расплывание импульсов в атмосфере
было рассмотрено в работе [19]. В ней моделировалось
распространение импульсов в линейнодиспергирующей
среде. Для расчетов использовались
импульсы в гауссовой временной форме и в форме
гиперболического секанса. Было установлено, что при
начальных длительностях импульсов порядка нескольких
пикосекунд максимальное расстояние передачи
сигнала составляет 1–2 км, а длительность импульса
в результате дисперсионного расплывания увеличивается
примерно в 2 раза. Зависимость изменения
105
Стр.4