Los físicos del Instituto de Física y Tecnología de Moscú han desarrollado un nuevo método para medir la velocidad del viento a distancia. Puede complementar las técnicas de detección de radar y lidar ampliamente utilizadas. El artículo se publica en Técnicas de medición atmosférica .

Las mediciones de la velocidad del viento son esenciales para muchas aplicaciones. Por ejemplo, la asimilación de estos datos es necesaria para ajustar los modelos climatológicos y meteorológicos, incluidos los que se utilizan para la previsión meteorológica. A pesar de los avances logrados en la teledetección en las últimas décadas, medir el movimiento de las masas de aire sigue siendo un desafío. La mayor parte de los datos se recopilan mediante métodos de contacto tradicionales:a través de sensores instalados en estaciones meteorológicas o globos sonoros. Los anemómetros Lidar o sonar se utilizan comúnmente para mediciones locales a distancias de varios cientos de metros o menos. Los radares meteorológicos pueden ayudar a distancias de hasta decenas de kilómetros. Sin embargo, estos últimos normalmente son ineficaces fuera de la troposfera, la capa atmosférica más cercana a la Tierra, que tiene de 10 a 18 kilómetros de espesor. Las mediciones directas basadas en satélites del movimiento de masas de aire son raras, sólo se han realizado experimentos ocasionales.

"La información sobre la dinámica atmosférica es todavía bastante difícil de obtener mediante observaciones directas. A día de hoy, la forma más fiable de medir de forma remota la velocidad del viento es utilizando radares Doppler. Esta técnica implica sondear el entorno con una poderosa fuente de radiación y, por lo tanto, requiere recursos considerables, incluyendo el poder, masa del equipo, Talla, y costo. Nuestro instrumento ofrece una ventaja en términos de estos parámetros:es compacto, barato, e involucra componentes comerciales disponibles en el mercado de las telecomunicaciones, "dijo el autor principal del estudio, Alexander Rodin, quien dirige el Laboratorio de Espectroscopia Infrarroja Aplicada en MIPT.

El instrumento se basa en el principio de detección heterodina, la base de muchas aplicaciones de ingeniería de radio. Sin embargo, Cabe señalar que el instrumento opera en óptica, o para ser más precisos, el rango del infrarrojo cercano, a una longitud de onda de 1,65 micrómetros. El principio de funcionamiento se basa en combinar la señal recibida (en este caso, radiación solar que ha atravesado la atmósfera) y una fuente de etalón (oscilador local), a saber, un láser de diodo sintonizable. Dado que las leyes de propagación de ondas electromagnéticas son las mismas para todos los rangos espectrales, el principio de heterodino es igualmente aplicable tanto a las señales de radio como a la radiación infrarroja.

Sin embargo, heterodyning enfrenta ciertas dificultades si se aplica al rango óptico. Por ejemplo, se requiere una coincidencia de alta precisión de los frentes de onda, ya que el desplazamiento incluso en una fracción de longitud de onda es inaceptable. El equipo de MIPT empleó una solución simple, aplicando una fibra óptica monomodo.

Otro desafío es la necesidad de un control de frecuencia extremadamente preciso del oscilador local, con un error de no más de 1 MHz, una pequeña cantidad en comparación con la frecuencia de radiación óptica. Para abordar esto, el equipo tuvo que emplear un enfoque complicado y profundizar en los procesos de emisión de láser de diodo. Estos esfuerzos han dado como resultado un nuevo instrumento, un espectrorradiómetro heterodino láser experimental, que se caracteriza por una resolución espectral sin precedentes en el rango del infrarrojo cercano. Mide el espectro de absorción atmosférica infrarroja con una resolución espectral ultra alta, lo que permite recuperar velocidades del viento con una precisión de 3 a 5 metros por segundo.

"Construyendo un instrumento, incluso con características récord, es solo la mitad de la historia, "Dijo Rodin." Para recuperar la velocidad del viento a varias altitudes hasta la estratosfera usando los espectros medidos, necesita un algoritmo especial que resuelva el problema inverso ".

"Decidimos no utilizar el aprendizaje automático, sino implementar un enfoque clásico basado en la regularización de Tikhonov. A pesar de que este método se conoce desde hace más de medio siglo, es ampliamente utilizado en todo el mundo, y sus capacidades están lejos de agotarse, "dijo el científico.

Los cálculos permitirán la recuperación del perfil de viento vertical desde la superficie hasta unos 50 kilómetros. Basado en el espectrorradiómetro relativamente simple y asequible, en el futuro, se pueden crear redes extensas para el monitoreo atmosférico.

El Laboratorio de Espectroscopía Infrarroja Aplicada del MIPT tiene previsto llevar a cabo una campaña de observación para medir el vórtice polar de la estratosfera y la concentración de gases de efecto invernadero en el Ártico ruso con su instrumento recientemente desarrollado. Además de eso, en cooperación con el Instituto de Investigaciones Espaciales de la Academia de Ciencias de Rusia, el laboratorio está desarrollando un instrumento para el estudio de la atmósfera de Venus basado en el mismo principio. El instrumento se instalará a bordo del orbitador Venus de la India en el marco de la cooperación internacional.