I fisici dell'Istituto di fisica e tecnologia di Mosca hanno sviluppato un nuovo metodo per le misurazioni a distanza della velocità del vento. Può integrare le tecniche di rilevamento lidar e radar ampiamente utilizzate. Il documento è pubblicato in Tecniche di misurazione atmosferica .

Le misurazioni della velocità del vento sono essenziali per molte applicazioni. Per esempio, l'assimilazione di questi dati è necessaria per la messa a punto di modelli climatologici e meteorologici, compresi quelli utilizzati per le previsioni del tempo. Nonostante i progressi compiuti nel telerilevamento negli ultimi decenni, misurare il movimento delle masse d'aria è ancora una sfida. La maggior parte dei dati viene raccolta attraverso le tradizionali modalità di contatto:tramite sensori installati su stazioni meteorologiche o palloni sonda. Gli anemometri Lidar o sonar sono comunemente usati per misurazioni locali a distanze di diverse centinaia di metri o meno. I radar meteorologici possono aiutare a distanze fino a decine di chilometri. Però, questi ultimi sono normalmente inefficaci al di fuori della troposfera, lo strato atmosferico più vicino alla Terra, che ha uno spessore da 10 a 18 chilometri. Le misurazioni dirette via satellite del movimento delle masse d'aria sono rare, sono stati compiuti solo esperimenti occasionali.

"Le informazioni sulla dinamica atmosferica sono ancora abbastanza difficili da ottenere attraverso osservazioni dirette. Ad oggi, il modo più affidabile per misurare a distanza la velocità del vento è utilizzare i radar Doppler. Questa tecnica prevede di sondare l'ambiente con una potente fonte di radiazioni e quindi richiede notevoli risorse, compreso il potere, massa dell'attrezzatura, dimensione, e costo. Il nostro strumento offre un vantaggio in termini di questi parametri:è compatto, poco costoso, e coinvolge componenti commerciali disponibili nel mercato delle telecomunicazioni, " ha detto l'autore principale dello studio Alexander Rodin, che dirige il laboratorio di spettroscopia infrarossa applicata al MIPT.

Lo strumento si basa sul principio della rilevazione dell'eterodina, la base di molte applicazioni di ingegneria radiofonica. Però, si precisa che lo strumento opera in ottica, o per essere più precisi, nel vicino infrarosso, a una lunghezza d'onda di 1,65 micrometri. Il principio di funzionamento si basa sulla combinazione del segnale ricevuto (in questo caso, radiazione solare che ha attraversato l'atmosfera) e una sorgente di etalon (oscillatore locale), vale a dire un laser a diodi sintonizzabili. Poiché le leggi della propagazione delle onde elettromagnetiche sono le stesse per tutte le gamme spettrali, il principio dell'eterodina è ugualmente applicabile sia ai segnali radio che alle radiazioni infrarosse.

Però, l'eterodina incontra alcune difficoltà se applicata alla gamma ottica. Ad esempio, è richiesta una corrispondenza estremamente accurata dei fronti d'onda, poiché lo spostamento anche di una frazione di una lunghezza d'onda è inaccettabile. Il team MIPT ha utilizzato una soluzione semplice, applicando una fibra ottica monomodale.

Un'ulteriore sfida è la necessità di un controllo di frequenza estremamente preciso dell'oscillatore locale, con un errore non superiore a 1 MHz, una quantità minuscola rispetto alla frequenza della radiazione ottica. Per affrontare questo, il team ha dovuto adottare un approccio complicato e approfondire i processi di emissione del laser a diodi. Questi sforzi hanno portato a un nuovo strumento, uno spettroradiometro laser eterodina sperimentale, caratterizzato da una risoluzione spettrale senza precedenti nel vicino infrarosso. Misura lo spettro di assorbimento atmosferico infrarosso con una risoluzione spettrale ultraelevata, che consente di recuperare le velocità del vento con una precisione da 3 a 5 metri al secondo.

"Costruire uno strumento, anche con caratteristiche da record, è solo metà della storia, " ha detto Rodin. "Per recuperare la velocità del vento a varie altitudini fino alla stratosfera utilizzando gli spettri misurati, hai bisogno di un algoritmo speciale che risolva il problema inverso."

"Abbiamo deciso di non utilizzare l'apprendimento automatico ma di implementare un approccio classico basato sulla regolarizzazione di Tikhonov. Nonostante questo metodo sia noto da più di mezzo secolo, è ampiamente utilizzato in tutto il mondo, e le sue capacità sono lungi dall'essere esaurite, " disse lo scienziato.

I calcoli consentiranno il recupero del profilo del vento verticale dalla superficie fino a circa 50 chilometri. Basato sullo spettroradiometro relativamente semplice ed economico, in futuro si potranno creare reti estese per il monitoraggio atmosferico.

L'Applied Infrared Spectroscopy Lab del MIPT sta pianificando di condurre una campagna di osservazione per misurare il vortice polare della stratosfera e la concentrazione di gas serra nell'Artico russo con il loro strumento di nuova concezione. In aggiunta a ciò, in collaborazione con l'Istituto di ricerca spaziale dell'Accademia delle scienze russa, il laboratorio sta sviluppando uno strumento per lo studio dell'atmosfera di Venere basato sullo stesso principio. Lo strumento sarà installato a bordo dell'orbita Venus indiana nell'ambito della cooperazione internazionale.