Области исследований

Оптика атмосферного аэрозоля

В Институте реализуется программа комплексного исследования оптических и микрофизических свойств аэрозоля, в рамках которой осуществляются измерения на станциях, работающих в режиме «исследовательского» мониторинга, организуются крупные комплексные эксперименты по измерениям большинства климатически значимых параметров атмосферы. Институт организует регулярные экспедиционные измерения с применением мобильных комплексов, базирующихся на самолете-лаборатории (территория Российской Федерации) и научно-исследовательских судах (от Арктики до Антарктики). Использование самолета-лаборатории Ан-30 «Оптик-Э» позволяет строить карты аэрозольного состава атмосферы и проводить экологическую экспертизу состава воздуха в городах. Для построения высотных профилей оптических характеристик аэрозолей в тропосфере и стратосфере, для картирования аэрозольного загрязнения атмосферы промышленных центров разрабатываются и широко используются различные лидары. С целью выявления закономерностей взаимодействия аэрозольных и газовых компонент воздуха в зависимости от метеорологических условий в приземном слое атмосферы проводятся комплексные лидарные и акустические исследования
Совместно с институтами Российской академии наук и NASA на территории России (Томск, Якутск, Уссурийск, Иркутск, Екатеринбург, Звенигород) осуществляется работа разветвленной фотометрической сети по измерениям аэрозольной оптической толщи атмосферы. Ведутся широкомасштабные исследования динамических процессов образования и трансформации частиц различного происхождения в модельных условиях. Создаются новые методы исследований рассеивающих и поглощающих свойств аэрозоля и их аппаратурная реализация. На основе полученных данных ведется разработка эмпирических моделей оптических характеристик аэрозоля, которые необходимы для прогноза «оптической погоды», для учета аэрозольных эффектов в радиационных расчетах.
 

Атмосферная радиация

Солнечная радиация – главный источник энергии для всех геофизических процессов на земной поверхности и в атмосфере. В излучении, проходящем через атмосферу Земли, выделяют следующие основные типы: прямое солнечное – излучение, пришедшее в данную точку непосредственно от Солнца; рассеянное солнечное – излучение Солнца, испытавшее рассеяние в атмосфере; отраженное от подстилающей поверхности солнечное излучение; собственное излучение атмосферы (тепловое излучение) и собственное излучение поверхности Земли (тепловое). В Институте изучаются процессы взаимодействия излучения с частицами атмосферы – рассеяние излучения на частицах и поглощение излучения веществом частицы, т.е. ослабление излучения атмосферой. Также изучаются процессы переноса солнечного излучения через атмосферу и влияния на них атмосферного аэрозоля и облачности. С использованием космических инструментов строятся и совершенствуются статистические модели облачных полей.
 

Парниковые и окисляющие газы

Для проведения мониторинга парниковых и окисляющих газов в приземном слое воздуха на территории Сибири создано десять постов комплексного мониторинга, расположенных в разных географических районах. Для передачи эталонов между постами используются передвижные мобильные измерительные комплексы на базе самолета-лаборатории Ту-134 «Оптик» и автомобиля, которые также осуществляют измерения в промежутках между постами. Исследование приводной атмосферы производится специально разработанными корабельными системами. К настоящему времени накоплены многолетние ряды данных, позволяющие оценивать тенденции изменения концентрации парниковых и окисляющих атмосферу газов; выявляются факторы, которые определяют эти тенденции. Разрабатываются и модернизируются стационарные и мобильные лидары дифференциального поглощения на основе технологий параметрической генерации света для дистанционного мониторинга парниковых газов в атмосфере в ближнем и среднем ИК диапазонах спектра.
 

Прогнозирование состояния атмосферы

Разрабатывается современное математическое и программное обеспечение для автоматизированной вычислительной системы мониторинга и заблаговременного предупреждения опасных метеорологических явлений и условий, приводящих к существенному ухудшению качества атмосферного воздуха и видимости вблизи крупных городов, промышленных объектов и транспортных узлов. Совершенствуются мезомасштабные атмосферные модели высокого разрешения за счет включения современных схем параметризации атмосферных процессов, высокоточные микромасштабные модели неизотермической турбулентной аэродинамики и переноса примеси в городских кварталах или лесных массивах. Разрабатываются эффективные численные методы решения уравнений мезомасштабных и микромасштабных моделей, ориентированных на вычислительную технику с параллельной архитектурой. Применяется комплекс атмосферных моделей для изучения переноса загрязняющих примесей вблизи промышленных и урбанизированных территорий, оценки экологического состояния атмосферного воздуха, прогнозирования опасных погодных явлений вблизи населенных пунктов, объектов промышленности, транспорта.
 

Природные пожары и процессы горения

В области исследования природных пожаров ведутся работы по разработке фундаментально обоснованных способов раннего удаленного обнаружения природных (лесных, степных и торфяных) пожаров с использованием методов механики многофазных реагирующих сред, математического моделирования, методов ИК диагностики и других дистанционных методов определения характеристик атмосферы. Проводятся исследования распространения природных пожаров за счет переноса горящих частиц. В области исследования процессов горения изучаются турбулентные пламёна, образующиеся при горении жидких и конденсированных топлив, в том числе растительного происхождения. Для исследования характеристик пламени применяются методы ИК диагностики в узких спектральных диапазонах и оригинальные методики, основанные на анализе температурных полей.
 

Оптика турбулентной атмосферы

В Институте ведутся исследования воздействия турбулентности на эффективность транспортировки лазерной энергии и беспроводной оптической коммуникации в атмосфере. Разрабатываются новые дистанционные оптические и лидарные методы и средства определения параметров атмосферной турбулентности, осуществляется зондирование турбулентной атмосферы. Для решения задач обеспечения экологической и авиационной безопасности проводятся исследования турбулентных высокотемпературных и сверхзвуковых техногенных сред оптическими средствами и изучение динамики ветровых и вихревых структур в турбулентной атмосфере с использованием когерентных доплеровских лидаров. Разрабатываются новые методы оптического зондирования характеристик турбулентных потоков в атмосфере.
 

Фундаментальные проблемы атмосферной адаптивной оптики

Адаптивная оптика (АО) – это стремительно развивающаяся ветвь науки, решающая широкий круг задач по достижению предельных физических параметров оптических систем при динамически меняющихся параметрах тракта распространения излучения. В Институте создаются и развиваются аналитические и численные методы моделирования распространения оптического излучения в случайных средах для систем видения, передачи энергии и связи, решения астрономических задач. Анализируются физические ограничения применения систем АО в условиях сильных флуктуаций интенсивности мощного лазерного излучения, распространяющегося на протяженных атмосферных трассах. Разрабатываются новые методы АО для исследования физической природы оптических искажений в лазерных системах. Создаются новые алгоритмы АО, в том числе, прогностические, опережающие и оптимизационные алгоритмы адаптивного управления волновым фронтом, гибридные методы коррекции изображений с помощью АО и методы постдетекторной обработки изображений. Исследуется временная и пространственная эволюция распределения атомов мезосферных металлов в атмосфере Земли, в том числе, с целью формирования лазерных опорных источников. Ведется поиск оптических проявлений неколмогоровской турбулентности в атмосфере. Разрабатываются новые оптические методы реконструкции профилей турбулентности, скорости ветра и диагностики искажающих свойств при распространении излучения в атмосферных системах.
Результаты исследований позволят не только расширить возможности современной науки в области астрономии, физиологической оптики, генерации сверхмощных световых полей, прецизионных оптических измерений, но и поставят новые фундаментальные задачи на стыке фотоники, классической волновой оптики, теории распространения оптических волн в случайных средах и ряда других смежных наук.

Когерентные и нелинейные оптические явления в атмосфере

Проводятся экспериментальные и теоретические исследования когерентных и нелинейных явлений в оптических средах для решения задач атмосферной оптики и фотоники. Изучается новый класс нелинейных явлений, связанных с формированием протяженных световых структур в атмосфере с высокой пространственной локализацией энергии. Ведется разработка новых способов моделирования формирования изображений в турбулентной аэрозольной среде, а также исследование возможностей улучшения качества изображений атмосферных объектов при совместном использовании адаптивной оптики и методов численной обработки изображений. Разрабатываются новые способы адаптивной оптической и постдетекторной коррекции атмосферных искажений в оптических изображениях, а также методы дистанционного измерения параметров атмосферы на основе анализа (обработки) искаженных изображений удаленных объектов. Формулируются теоретические концепции и создаются модели новых устройств нанооптики на основе мезаволновых композитных (металл–диэлектрик) микрочастиц, обеспечивающих субдифракционную ближнепольную локализацию падающего излучения.

Изображения и сигналы в атмосфере и под водой

В Институте решаются прямые и обратные задачи теории переноса оптических и акустических сигналов в многокомпонентных стратифицированных и стохастических неоднородных рассеивающих и поглощающих средах в приложении к задачам активного и пассивного зондирования атмосферы, атмосферной коррекции спутниковых изображений земной поверхности, оптической связи на рассеянном оптическом излучении. Ведется статистическое моделирование методом Монте-Карло процессов формирования изображений через дисперсные среды пассивными и активными оптико-электронными системами. Изучаются процессы многократного рассеяния оптического и акустического излучения в мутных средах. В полевых и лабораторных экспериментах исследуется влияние оптико-геометрических характеристик бистатических коммуникационных каналов на качество связи на рассеянном оптическом излучении в атмосфере и/или под водой.
 

Спектроскопия атмосферы

В Институте разрабатываются новые методы и аппаратура лазерной и Фурье спектроскопии высокого разрешения от УФ до дальнего ИК диапазонов. Проводятся комплексные исследования колебательно-вращательных спектров молекулярных газов планетарных атмосфер, малых примесей антропогенного и природного происхождения в интересах мониторинга окружающей среды, экологии и климатологии.
Развиваются теоретические методы высокоточного глобального описания спектров высокого разрешения и параметров спектральных линий молекул с учетом эффектов внутри и межмолекулярных взаимодействий. Создаются базы параметров спектральных линий молекул и базы знаний для описания информационных ресурсов молекулярной спектрскопии. Развиваются физические основы спектроскопических методов и аппаратуры для анализа газово-аэрозольных загрязнений окружающей среды.
 

Лазеры на парах металлов

В Институте ведутся исследования и разработка активных сред на самоограниченных переходах атомов металлов с целью создания оптико-электронных систем диагностики, связи, обработки материалов, а также изучения процессов, экранированных широкополосным фоновым излучением. Ключевыми преимуществами указанных сред являются высокая монохроматичность, широкий набор длин волн генерации (УФ, видимый, ИК диапазоны), малая длительность и высокая частота следования импульсов излучения, высокий коэффициент усиления определяют широкие возможности их использования. Для решения указанных задач ведутся работы по разработке эффективных импульсных источников возбуждения, микропроцессорных систем управления. Для исследования процессов, экранированных фоновым излучением, разрабатываются высокоскоростные усилители яркости изображений, на их основе строятся активные оптически системы визуализации – лазерные мониторы.