Scienziati russi hanno confrontato l'efficacia di diverse tecniche di rilevamento remoto della temperatura dell'acqua basate sulla spettroscopia laser e valutato vari approcci all'interpretazione del profilo spettrale. Il documento che descrive in dettaglio lo studio è stato pubblicato in Lettere di ottica . I ricercatori hanno esaminato quattro tecniche di elaborazione dei dati attingendo alle analisi pertinenti nelle pubblicazioni precedenti. La tecnica che gli stessi autori avevano precedentemente sviluppato era precisa fino a 0,15 gradi Celsius. I risultati della ricerca sosterranno l'ulteriore sviluppo di soluzioni di telerilevamento della temperatura superficiale del mare, consentendo agli scienziati di tenere traccia dei flussi di energia termica in aree difficili da raggiungere come la regione artica, dove le temperature medie stanno aumentando di circa il doppio rispetto alle altre parti del pianeta.

Nel loro studio, gli scienziati si sono concentrati sulla spettroscopia Raman, che si basa sul fenomeno dello scattering Raman scoperto negli anni '20. Implica l'interazione di un mezzo con un'onda luminosa:la luce diffusa è modulata dalle vibrazioni molecolari del mezzo, con conseguente spostamento delle lunghezze d'onda di alcuni dei fotoni; in altre parole, parte della luce diffusa cambia colore. dispersione Raman, e per estensione, il campo della spettroscopia Raman, prendono il nome da Sir C. V. Raman, un fisico indiano che è stato insignito del premio Nobel per la scoperta di questo effetto. interessante, La letteratura scientifica russa tende a riferirsi allo stesso fenomeno come "scattering combinato, " un termine coniato per enfatizzare la sua scoperta indipendente da ricercatori sovietici.

"Con il cambiamento climatico così rapido, il telerilevamento della temperatura dell'acqua è una priorità, ma le tecniche di radiometria attualmente in uso sono precise solo fino a circa mezzo grado. La spettroscopia Raman consente misurazioni con una precisione molto maggiore, " afferma Mikhail Grishin, uno degli autori dello studio, un dottorato di ricerca studente al MIPT, e ricercatore presso il Laboratorio di Spettroscopia Laser del Wave Research Center presso GPI.

L'esperimento condotto dagli scienziati prevedeva il sondaggio dell'acqua con un laser a impulsi e l'utilizzo di uno spettrometro per analizzare la luce che veniva dispersa. A seconda della temperatura dell'acqua, la sua caratteristica banda spettrale delle vibrazioni di stretching OH è stata variamente trasformata. Gli scienziati avevano bisogno di scoprire se fosse possibile stabilire una chiara relazione tra la temperatura dell'acqua e uno dei parametri della banda spettrale.

Gli scienziati hanno esaminato la dipendenza dalla temperatura di diversi parametri della banda spettrale, cioè., alcune parti dell'area al di sotto del grafico (vedi Fig. 1), spettri differenziali (il risultato della sottrazione di due spettri), e la posizione del picco della curva che si adatta allo spettro di banda. Sebbene sia stato possibile stabilire una relazione tra la temperatura dell'acqua e ciascuna delle suddette metriche, l'accuratezza stimata della misurazione della temperatura delle rispettive tecniche variava. L'analisi statistica dei dati sperimentali ha mostrato che la dipendenza dalla temperatura era più pronunciata quando la lunghezza d'onda che corrisponde al picco della curva che si adattava allo spettro di banda veniva utilizzata come metrica. Gli scienziati hanno ottenuto un brevetto per l'approccio corrispondente all'interpretazione del profilo spettrale dall'ufficio brevetti russo.

Le temperature dell'acqua di mare nell'Artico sono attualmente monitorate utilizzando una serie di tecniche tra cui misurazioni dirette effettuate da boe meteorologiche e navi mercantili o di ricerca. Però, tracciare in tempo reale e su vaste aree la dinamica della temperatura delle acque superficiali del mare, è necessario effettuare osservazioni aeree utilizzando apparecchiature di rilevamento installate su aeromobili o satelliti, che irradia l'acqua con un laser e raccoglie la luce diffusa. Una risoluzione spaziale inferiore a un chilometro consente ai ricercatori di creare mappe di temperatura molto dettagliate che possono essere utilizzate per monitorare il trasferimento di calore da parte delle correnti oceaniche, prevedere quanto velocemente si scioglierà il ghiaccio artico, e fare una previsione del cambiamento climatico globale. Man mano che i veicoli aerei senza equipaggio (UAV) migliorano, anche le apparecchiature di telerilevamento dovrebbero essere migliorate per essere più precise, leggero, compatto, ed efficiente dal punto di vista energetico. Gli scienziati stanno sviluppando sia il software che il sistema di rilevamento laser.

Vasily Lednev, uno degli autori dello studio, uno dei massimi esperti presso il Dipartimento di Certificazione e Controllo Analitico di NUST MISiS, ci ha raccontato come vede il futuro di questa ricerca:"Uno dei principali ostacoli per il telerilevamento della superficie del mare è la necessità di calibrare le apparecchiature e verificare i risultati delle misurazioni satellitari rispetto alle misurazioni a contatto dei parametri dell'acqua di mare (temperatura, concentrazione di clorofilla, eccetera.). Lo sviluppo e la progettazione di sistemi lidar (radar laser) autonomi compatti che possono essere montati su UAV ci consentirà di ottenere carte nautiche dettagliate con una gamma di parametri dell'acqua. Questi sistemi lidar sono anche di interesse immediato per lo studio di oggetti difficili da raggiungere e pericolosi come iceberg o banchi di ghiaccio".

Le variazioni medie annuali della temperatura degli oceani del mondo tendono ad essere molto piccole. Attualmente si sta riscaldando di appena un decimo di grado ogni 10 anni, mentre le variazioni di temperatura stagionali possono ammontare a diversi gradi. Ciò significa che un errore di appena mezzo grado causerà un significativo calo di precisione del quadro complessivo della dinamica della temperatura ottenuto. Nel caso di misurazioni stagionali, l'incertezza può raggiungere il 20 percento o più, mentre le tendenze climatiche a lungo termine possono rimanere non identificate a causa dell'errore di misurazione.

I termometri di telerilevamento attualmente in uso operano nella gamma spettrale delle microonde. La spettrometria a dispersione Raman ha un vantaggio significativo rispetto alla radiometria a microonde in quanto la radiazione laser di sondaggio cade nella parte visibile (blu-verde) dello spettro. A differenza delle radiazioni a microonde, a cui l'acqua è quasi completamente opaca, la luce visibile può penetrare in uno strato d'acqua di 1-10 metri di spessore. Con il rilevamento a microonde, i dati sono disponibili solo per lo strato superficiale spesso 30 micron la cui temperatura è significativamente influenzata dai freddi venti artici. Ciò dà luogo ad un errore, che è quasi del tutto evitato nelle misurazioni basate sullo scattering Raman. Per correggere errori di questo tipo, i radiometri a microonde satellitari devono essere calibrati rispetto alle misurazioni a terra. Al contrario, La spettrometria Raman non affronta questo ostacolo e può produrre dati utili indipendentemente dalle osservazioni a contatto.