В Институте оптики атмосферы им. В. Е. Зуева СО РАН группой ученых созданы алгоритмы и программы, позволяющие с помощью нейронных сетей эффективно решать задачи дистанционного определения концентраций парниковых газов с космических платформ.

Активные методы лучше

Еще десять лет назад в интересах РКК «Энергия» и ЦНИИмаш в институте составлялись обзоры существующих методов и приборов для изучения Земли из космоса, оценивались возможности лидаров космического базирования для измерений атмосферных параметров. Основываясь на полученных результатах, ученые предложили качественно новый, не имеющий мировых аналогов подход к обработке лидарных сигналов.

– С каждым годом комплекс проблем, связанных с исследованиями Арктики, изучением процессов глобального потепления и увеличения концентрации парниковых газов в атмосфере, становится все актуальнее, – поясняет Александр Суханов, старший научный сотрудник лаборатории лидарных методов ИОА СО РАН. – Для создания точных прогностических моделей климата важно оперативно и с высокой точностью измерять концентрации атмосферных газов, определять тенденции их изменения, выявлять источники и поглотители газов. Поэтому во всем мире разрабатываются различные методы регионального и глобального контроля атмо­сферных параметров.

По словам Александра Яковлевича, измерения концентраций парниковых газов в основном ведутся пассивными методами с использованием инструментов, регистрирующих отраженное от поверхности Земли солнечное излучение. Пример – орбитальная углеродная обсерватория NASA, один из спутников группировки «Дневной поезд» (название не случайно, поскольку такие измерения возможны лишь в дневное время). Кроме того, качественные измерения в районе полюсов средствами пассивного наблюдения осуществить проблематично по техническим причинам, а ученым принципиально важно охватить Арктический регион.

Поэтому предпочтительнее использовать активные измерительные системы, имеющие собственные источники излучения, например, лидары космического базирования, которые с высот 400–800 километров позволяют определять количественные характеристики парниковых газов во всей толще атмосферы Земли.

С использованием нейронных сетей

Сотрудниками ИОА СО РАН предложен перспективный метод восстановления концентраций газов по характеристикам отраженного от поверхности Земли лидарного сигнала с использованием нейронных сетей.

Пассивные методы измерений позволяют получать лишь усредненные данные, а томским ученым удалось совершить настоящий прорыв в решении задачи определения характеристик парниковых газов – с минимальной погрешностью рассчитать высотные профили концентрации углекислого газа и метана. Результаты исследований доктора физ.-мат. наук Геннадия Матвиенко, кандидата технических наук Александра Суханова и инженера Светланы Бабченко в прошлом году были представлены в мартовском выпуске престижного международного журнала Remote Sensing.

Как отметил Александр Суханов, успеху проекта способствовал скачок технологий в области нейронных сетей, что позволило применить искусственный интеллект в самых разных сферах, в том числе в области расчетов профилей концентрации углекислого газа и метана. В ходе выполнения проекта сотрудники лаборатории лидарных методов использовали наработки коллег из других лабораторий института, в частности Семена Михайленко, Бориса Воронина, Юрия Бабикова, специализирующихся на расчетах характеристик линий поглощения молекул атмосферных газов и на разработке специальных информационных систем, предоставляющих обширные массивы данных по указанным характеристикам. Кроме того, помог многолетний опыт создания атмосферных газовых и аэрозольных моделей.

Совместными усилиями

В течение 2020 года ИОА СО РАН планирует присоединиться к французско-немецкому проекту MERLIN, цель которого – измерение из космоса концентрации метана в атмосфере Земли. Что касается возможности создания лидара для активного зондирования с космической орбиты, то в институте накоплен значительный опыт разработки лидаров различных типов. Такой масштабный проект может быть реализован объединенными усилиями многих научных групп и организаций. При этом ИОА СО РАН зай­мет достойное место в проекте: передовые методы решения задач атмосферной оптики позволят получить качественно новые данные, которые будут востребованы при разработке различных климатических моделей, а также для изучения Арктики.

Результаты томских ученых опубликованы в престижном международном журнале Remote Sensing. Этот журнал, название которого переводится как «Дистанционное зондирование», входит в первый квартиль Web of Science, его импакт-фактор – 4,118.

Автор: Иван Тимофеев

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

90 − 82 =