IMCES - Важнейшие результаты фундаментальных и прикладных исследований ИМКЭС в 2001 году

Важнейшие результаты фундаментальных и прикладных исследований ИМКЭС в 2001 году

1. Впервые методом вейвлет-преобразования выявлены закономерности по динамике квазипериодических структур в многолетних рядах среднегодовой температуры для Сибири и в рядах некоторых планетарных геофизических индексов. Установлена значимая статистическая связь между этими структурами одинаковых масштабов в температурных рядах, а также между структурами в температурных рядах и в рядах планетарного геомагнитного индекса и чисел Вольфа для масштаба в 30 лет.

Совокупность подобных закономерностей, выявленных по результатам обработки многолетних инструментальных наблюдений, создает необходимую основу для последующего многофакторного моделирования и долгосрочного прогнозирования современных природно-климатических изменений в Сибири.

На рисунке представлен пример вейвлет-образа (внизу) по температурному ряду (вверху) для Красноярска. Отчетливо видны закономерности по динамике квазипериодических структур с волнами относительного потепления и похолодания (на рисунке индексы Т и Х соответственно) в масштабе 15-20 лет. (Кабанов М.В., Ипполитов И.И., Логинов С.В.) .

2. На основе системно-эволюционного подхода к анализу климато-экологических изменений разработаны методики количественной оценки антропогенных воздействий на региональные геосистемы. Для пойменной экосистемы воздействие антропогенных факторов на биоту количественно оценивается выявленной зависимостью показателя устойчивости экосистемы от многокомпонентного индекса воздействия половодий. Для региональной климатической системы количественные оценки следуют из эволюционной траектории температурного режима.

На рисунке показаны эволюционные траектории приземной температуры для двух сибирских городов (Омск, Красноярск), для которых эти траектории практически совпадали до 1967 года, т.е. до заполнения Красноярского водохранилища, а затем разошлись под влиянием антропогенных факторов с поддающимся количественной оценке отклонением. ( Кабанов М.В., Шишлов В.И. , Болотнов В.П.) .

3. С помощью разработанных малогабаритного регистратора естественного импульсного электромагнитного поля земли и высокочувствительного полевого озонометра выполнены исследования атмосферно-литосферных взаимодействий. На основании одновременных измерений пространственной структуры электромагнитного поля и озоновых аномалий в приземном слое атмосферы показана потенциальная возможность создания нового оперативного метода обнаружения месторождений углеводородов. Выделенные при этом перспективные зоны совпадают с результатами применения традиционных и трудоемких методов разведки месторождений нефти и газа.

На рисунке показан пример изменения интенсивности импульсного электромагнитного поля и концентрации приземного озона на отрезке маршрута в районе Южно-Черемшанского месторождения нефти в Томской области. Из этого рисунка видно, что перспективная зона между 6 и 10 километрами трассы, выделенная по электромагнитным признакам, достаточно хорошо проявляется и по отрицательной аномалии содержания озона. В зоне продуктивных скважин концентрация озона в среднем в два раза меньше обычной фоновой из-за его участия в окислительных реакциях с компонентами газового шлейфа месторождения углеводородов.

Изменение интенсивности электромагнитного поля и концентрации приземного озона в районе Южно-Черемшанского месторождения нефти в Томской области.

4. На основании исследования физических свойств малоизученных и новых нелинейных кристаллов впервые определен кристалл – LiInS2 , пригодный для генерации второй гармоники фемтосекундных импульсов 3 мкм эрбиевых лазеров. Достоверность результатов, включая выполнение условий фазового синхронизма, подтверждена экспериментально. Ввиду широкого спектра излучения: свыше 0,1 мкм для 100 фс импульсов, такой преобразователь частоты представляет интерес для применения в лидарах, работающих по принципу активных Фурье-газоанализаторов.

Аннотация. С целью создания элементной базы универсальных лидаров, способных решать задачу дистанционного контроля аэрозольного и газового состава атмосферы, исследованы возможности преобразования частоты фемтосекундных лазеров в диапазон спектра 0,6-11,0 мкм.

Фемтосекундные импульсы имеют чрезвычайно широкий спектр излучения, до 1 мкм и выше, который при преобразовании частоты дополнительно уширяется. Оснащенные такими преобразователями частоты лидары, позволят значительно расширить возможности исследования атмосферного аэрозоля и дистанционного многокомпонентного газоанализа.

Установлено, что кристаллы LiInS2 являются единственными известными кристаллами для преобразования частоты фемтосекундных лазеров 3 мкм диапазона. Эспериментально определены их оптические свойства, рассчитаны условия фазового и группового синхронизма.

5. На основании исследования физических свойств нелинейных кристаллов, проведенных оценок потенциальных возможностей преобразователей частоты на их основе и экспериментальной проверки полученных результатов впервые предложен способ создания перестраиваемого по частоте узкополосного источника излучения широкого спектрального диапазона 0,2-14,0 мкм. Источник излучения представляет собой твердотельный неодимовый или какой-либо другой твердотельный лазер с набором преобразователей частоты ближнего и среднего ИК диапазона на основе впервые детальное исследованние нелинейных кристаллов Agx Gax Ge1-x S4 , Hg1-x CdxGa2 S4 , GaSe : In и HgGa2S4 с областью прозрачности 0,4-15,5 мкм. После комплектации коммерческими преобразователями частоты УФ диапазона может быть использован, в частности, для создания универсальных систем лазерного зондирования, способных решать задачи мониторинга аэрозольного и газового состава атмосферы.

Аннотация. Две основные задачи дистанционного оперативного контроля экологического состояния атмосферы, решаемые с помощью лидарных систем, включают в себя определение относительного содержания аэрозолей и газовых компонент естественного и антропогенного происхождения. Контроль мелкодисперсных фракций природного аэрозоля имеет смысл проводить в коротковолновой части спектра прозрачности атмосферы, вплоть до длин волн 200 нм. Содержание крупнодисперсной фракции и газоанализ атмосферы необходимо проводить в диапазоне от 0,25 до 14 мкм, содержащем основные окна прозрачности атмосферы.

Известные эффективные нелинейные кристаллы имеют большие оптические потери на длинах волн твердотельных лазеров или непрозрачны в области их генерации вообще. Особенно это относится к Nd : YAG лазеру. В связи с чем, не существует коммерческих параметрических генераторов света среднего ИК диапазона с их накачкой. Детально исследованы физических свойств малоизученных, новых и новых нелинейных кристаллов позволило отобрать кристаллы прозрачные в диапазоне 0,4-15,5 мкм. По совокупности свойств, предложенные кристаллы обладают в 1,5-5,5 раз большим коэффициентом нелинейного качества, пропорциональным эффективности преобразований, чем известные кристаллы и допускают создание эффективных узкополосных плавно перестраиваемых по частоте параметрических генераторов света среднего ИК диапазона с накачкой излучением всех известных твердотельных лазеров, в том числе, самым распространенным неодимовым лазером. При использовании в комплекте с хорошо отработанных коммерческих преобразователей частоты УФ диапазона, спектром преобразованного по частоте излучения твердотельных лазеров перекрывается диапазон 0,2-14,0 мкм. ( Андреев Ю.М., Гейко П.П.).

6. На основе многолетнего анализа воздействия половодий на биологические ресурсы поймы Средней Оби разработана методика расчета показателей устойчивости биотических компонентов пойменных экосистем к воздействию абиотических факторов. Полученные показатели позволяют сравнивать между собой различные жизненные формы – растительность, сообщество птиц, животных по устойчивости к изменениям водного режима. Выделение зоны возможного функционирования компонентов экосистем и предельно-допустимых изменений водного режима позволяют нормировать антропогенные изменения водного режима.

Аннотация . Использование одной-двух характеристик половодья (максимальный уровень, продолжительность затопления), часто применяемых при анализе связей половодного режима и биологических компонентов экосистем пойм, не позволяет проводить полное сравнение действий на них половодий. В остальных случаях вам поможет адвокат в Верховном Суде - Загайнов Сергей - любые гражданские споры, а уголовные только узкая специализация - экономические. Поэтому предложен комплексный показатель - индекс воздействия половодий (ИВП), который описывает всю совокупность влияния половодья на биологические компоненты пойменной экосистемы с учётом высотных различий участков поймы. В показатель введено 6 составляющих. Первые 4 параметра (индекс даты начала затопления поймы, индекс продолжительности затопления, индекс высоты затопления, индекс площади затопления) описывают гидрограф поводья, два других (индекс температуры воды, индекс загрязнения) характеризуют качество воды во время половодья. Для учета высотной структуры территории поймы принято допущение, что интенсивность воздействия половодий увеличивается пропорционально высоте выделенных участков; в связи с более редкими и менее сильными воздействиями на них половодий они обладают меньшими адаптационными возможностями.

Расчет проводился для отдельных лет. Расчетный период охватывает 1945–1990 гг. Результаты расчетов позволили построить график связи между Индексом воздействия половодий и показателем устойчивости, характеризующим состояние популяций ондатры, сообщества рыб, луговую растительность (рис.).

Эмпирические графики устойчивости популяции ондатры к изменениям индекса воздействия половодья Ip с выделенными зонами возможного воздействия. Центральный район.

Анализ графика позволил выделить на нем зоны - возможного воздействия ИВП, предельно допустимого воздействия ИВП и критического воздействия ИВП, при которых происходит перестройка состояния изучаемого компонента экосистемы. Критический показатель абиотического фактора индекса воздействия половодья может использоваться для определения границ допустимых изменений при антропогенных изменениях – строительстве плотин, сельскохозяйственной и рыбной мелиорациях, спрямлении водных путей. (Поздняков А.В., Болотнов В.П.).

7. Для восстановления характеристик природных и техногенных объектов, зарегистрированных в виде полосчатых структур, предложен метод демодуляции сигналов, использующий новое условие “эффективной причинности”, связанное с монотонностью фазы сигнала. Введенный “эффективный сигнал” допускает как цифровые, так и аналоговые реализации в реальном времени и имеет более широкую область применимости, чем известный “аналитический сигнал”.

Аннотация . Комплексный “эффективный сигнал” W ( x ) для данного действительного сигнала U ( x ) с монотонной фазой вводится по правилу

W ( x ) = U ( x ) + iV ( x ), V ( x ) = (1/ Œ) H Œ U ( x ).

Символом H обозначено преобразование Гильберта, которым вводится известный аналитический сигнал. Преобразование Œ сжимает периоды колебания, которые больше некоторого среднего периода, и растягивает те из них, которые меньше. Обратное преобразование 1/ Œ приводит колебание в исходное состояние. Спектр эффективного сигнала W ( x ) не обязательно расположен по одну сторону от начала координат области частот, как это будет для аналитического сигнала, поэтому возможно повышение точности результатов демодуляции и расширение области применимости: для анализа годовых колец деревьев, в интерферометрии и фазометрии, в том числе для несинусоидальных и бинарных сигналов.