Ryska forskare har jämfört effektiviteten hos flera tekniker för fjärrdetektering av vattentemperatur baserat på laserspektroskopi och utvärderat olika metoder för tolkning av spektrala profiler. Uppsatsen som beskriver studien publicerades i Optik bokstäver . Forskarna undersökte fyra databehandlingstekniker utifrån relevanta analyser i tidigare publikationer. Tekniken som författarna själva tidigare utvecklat var exakt upp till 0,15 grader Celsius. Forskningsresultaten kommer att stödja ytterligare utveckling av fjärranalyslösningar för havsytans temperatur, gör det möjligt för forskare att hålla reda på termiska energiflöden i svåråtkomliga områden som den arktiska regionen, där medeltemperaturerna stiger ungefär dubbelt så snabbt som de är på andra håll på planeten.

I deras studie, forskarna fokuserade på Raman-spektroskopi, som bygger på fenomenet Raman-spridning som upptäcktes på 1920-talet. Det involverar interaktionen mellan ett medium och en ljusvåg:Det spridda ljuset moduleras av mediets molekylära vibrationer, vilket resulterar i att våglängderna för några av fotonerna förskjuts; med andra ord, en del av det spridda ljuset ändrar färg. Raman sprider, och i förlängningen, området för Raman-spektroskopi, uppkallades efter Sir C. V. Raman, en indisk fysiker som tilldelades ett Nobelpris för upptäckten av denna effekt. Intressant, Rysk vetenskaplig litteratur tenderar att referera till samma fenomen som "kombinationsspridning, " en term som myntats för att betona dess oberoende upptäckt av sovjetiska forskare.

"Med klimatförändringen så snabbt, fjärravkänning av vattentemperatur är en prioritet, men de radiometritekniker som för närvarande används är bara exakta upp till ungefär en halv grad. Ramanspektroskopi möjliggör mätningar med mycket större precision, " hävdar Mikhail Grishin, en av författarna till studien, en Ph.D. student vid MIPT, och en forskare vid Laser Spectroscopy Laboratory vid Wave Research Center vid GPI.

Experimentet som utfördes av forskarna involverade att sondera vatten med en pulsad laser och använda en spektrometer för att analysera ljuset som spreds tillbaka. Beroende på vattnets temperatur, dess karakteristiska OH-sträckningsvibrationers spektralband omvandlades variabelt. Forskarna behövde ta reda på om det var möjligt att fastställa ett tydligt samband mellan vattentemperaturen och en av parametrarna för spektralbandet.

Forskarna undersökte temperaturberoendet för flera spektrala bandparametrar, nämligen., vissa delar av området under grafen (se fig. 1), differentialspektra (resultatet av subtraktion av två spektra), och platsen för toppen av kurvan som passar bandspektrumet. Även om det visade sig möjligt att fastställa ett samband mellan vattentemperatur och var och en av de ovan nämnda måtten, den uppskattade temperaturmätningsnoggrannheten för respektive teknik varierade. Statistisk analys av experimentella data visade att temperaturberoendet var mest uttalat när våglängden som motsvarar toppen av kurvan som passar bandspektrumet användes som ett mått. Forskarna beviljades patent för motsvarande metod för tolkning av spektralprofiler av det ryska patentverket.

Havsvattentemperaturerna i Arktis övervakas för närvarande med hjälp av en rad tekniker inklusive direkta mätningar gjorda av väderbojar och handels- eller forskningsfartyg. Dock, att spåra temperaturdynamiken hos havsytans vatten i realtid och över stora områden, det är nödvändigt att göra flygobservationer med hjälp av avkänningsutrustning installerad på flygplan eller satelliter, som bestrålar vattnet med laser och samlar upp det spridda ljuset. En rumslig upplösning på mindre än en kilometer gör det möjligt för forskare att skapa mycket detaljerade temperaturkartor som kan användas för att övervaka värmeöverföringen av havsströmmar, förutsäga hur snabbt arktisk is kommer att smälta, och göra en global klimatförändringsprognos. När obemannade flygfarkoster (UAV) blir bättre, fjärranalysutrustning bör också förbättras för att vara mer exakt, lättvikt, kompakt, och energisnåla. Forskarna utvecklar både mjukvaran och laserdetektorsystemet.

Vasilij Lednev, en av författarna till studien, en ledande expert vid avdelningen för certifiering och analytisk kontroll av NUST MISiS, berättade för oss hur han ser på framtiden för denna forskning:"Ett av de största hindren för fjärranalys av havsytan är nödvändigheten av att kalibrera utrustning och verifiera satellitmätningsresultat mot kontaktmätningar av havsvattenparametrar (temperatur, klorofyllkoncentration, etc.). Utvecklingen och designen av kompakta autonoma lidar-system (laserradar) som kan monteras på UAV kommer att göra det möjligt för oss att få detaljerade sjökort med en rad vattenparametrar. Dessa lidarsystem är också av omedelbart intresse för studier av svåråtkomliga och farliga föremål som isberg eller ishyllor."

De genomsnittliga årliga förändringarna i temperaturen i världshaven tenderar att vara mycket små. Den värms för närvarande upp med bara en tiondels grad vart tionde år, medan säsongsbetonade temperaturvariationer kan uppgå till flera grader. Detta innebär att ett fel på bara en halv grad kommer att orsaka en betydande minskning av precisionen av den totala bilden av temperaturdynamiken som erhålls. När det gäller säsongsmätningar, osäkerheten kan nå 20 procent eller mer, medan långsiktiga klimattrender kan förbli oidentifierade på grund av mätfelet.

De fjärravkännande termometrarna som för närvarande används fungerar inom mikrovågsspektralområdet. Raman-spridningsspektrometri har en betydande fördel jämfört med mikrovågsradiometri genom att den sonderande laserstrålningen faller in i den synliga (blågröna) delen av spektrumet. Till skillnad från mikrovågsstrålning, för vilket vatten är nästan helt ogenomskinligt, synligt ljus kan penetrera ett vattenlager som är 1-10 meter tjockt. Med mikrovågsavkänning, uppgifterna är endast tillgängliga för det 30 mikron tjocka ytskiktet vars temperatur påverkas avsevärt av de kalla arktiska vindarna. Detta ger upphov till ett fel, vilket nästan helt undviks i mätningar baserade på Raman-spridning. För att rätta till fel av detta slag, satellitbaserade mikrovågsradiometrar måste kalibreras mot markbaserade mätningar. Däremot Ramanspektrometri möter inte detta hinder och kan producera användbar data oberoende av kontaktobservationer.