Что исследуют молодые ученые ИПФ РАН

Татьяна Одинцова, PhD, научный сотрудник отдела микроволновой спектроскопии ИПФ РАН, Александра Королева, аспирант 1 года обучения ИПФ РАН, стажер-исследователь

Наш научный коллектив изучает природу континуального поглощения в атмосфере Земли. Это явление тесно связано с парниковым эффектом. Как это происходит? Атмосфера Земли состоит из множества молекул. Среди них – примерно 1% воды, углекислый газ, метан, летучие вещества. Эти химические соединения хорошо поглощают солнечное излучение, за счет чего создается эффект парниковой пленки. Она как бы прикрывает нашу планету и сохраняет «тепло», излучаемое Землей. Атмосфера помогает поддерживать температуру, необходимую для развития жизни. Если ее не станет, планета остынет и все живое умрет. Мы изучаем, как происходит поглощение солнечного излучения в атмосфере: какое количество энергии поглотилось, какое – вернулось обратно на Землю, а какое – ушло в космос.

Есть два вида поглощения. Первое – резонансное – уже достаточно хорошо изучено. Это совокупность линий отдельных молекул, наблюдаемых на определенных частотах, которые соответствуют переходу между разными энергетическими уровнями. Однако давно было замечено, что это явление не описывает все наблюдаемое в эксперименте поглощение. Поэтому мы говорим, что есть и второй, нерезонансный, вид поглощения – континуальное, которое характеризуется плавным изменением с частотой излучения. Наша основная задача – понять природу континуального поглощения и какой вклад оно вносит в общее, наблюдаемое. А затем – построить модель для описания континуума, которая бы применялась, например, для оценки радиационного баланса.

Примерно 30-40 лет назад нижегородский физик Сергей Александрович Жевакин предположил, что избыточное, континуальное, поглощение можно описать с помощью молекулы-димера. Она образуется, когда две молекулы воды слипаются вместе. Однако эту теорию долго не принимали в научном сообществе, до того момента, как в спектре поглощения водяного пара миллиметрового диапазона длин волн было обнаружено проявление димера воды. По другой версии континуум возникает из-за того, что форма линий одиночных молекул при больших отстройках от центра не соответствует используемым моделям. На основе этой версии построена эмпирическая модель континуума, которая позволяет удовлетворительно описывать экспериментальные данные.

Мы исследовали континуальное поглощение в лаборатории при синхротроне SOLEIL. Использование синхротронного излучения позволило зарегистрировать спектр поглощения водяного пара в труднодоступном спектральном диапазоне, который до сих пор называют «терагерцовым провалом». Анализ экспериментального спектра континуума подтвердил, что в миллиметровом и субмиллиметровом диапазонах он определяется поглощением димерами воды, но, если взять другой диапазон частот, поближе к видимому свету (дальний ИК), там работают другие механизмы, в частности сказывается проявление дальних крыльев резонансных линий. Надеемся, что полученные экспериментальные данные помогут улучшить и сделать более точной модель поглощения в атмосфере, предложенную нашими американскими коллегами.

Александр Самсонов, младший научный сотрудник сектора моделирования сверхбыстрых оптических процессов ИПФ РАН

В целом наша научная группа исследует взаимодействие экстремально сильных полей с веществом. Конкретно я последние два года активно изучал проблему формирования квантово-электродинамических (КЭД) каскадов, которые возникают при таком взаимодействии. Эта тема впервые обсуждалась еще в середине 20 века, и сейчас активно изучается в связи с тем, что произошел колоссальный прогресс в развитии лазерных систем. Ожидается, что именно на этих установках будут впервые экспериментально продемонстрированы такие явления. В природе же взаимодействие сильных полей с веществом можно наблюдать, пожалуй, только вблизи таких астрофизических объектов как чёрные дыры, пульсары, квазары. Поскольку изучение таких объектов затруднено, но крайне востребовано, именно теоретические и лабораторные исследования в этой области приобретают свою актуальность.

Сейчас основная сложность состоит в том, что большую часть теоретических находок пока невозможно проверить экспериментально: лазерные установки требуемой мощности находятся пока на стадии строительства или даже только в виде проекта. Например, в ИПФ РАН идет работа над проектом 200-петаваттного лазера XCELS. Поэтому один из основных способов получения новых данных - это численное моделирование. Однако, стоит отметить, что достоверность результатов всегда вызывает (весьма резонно) определённый скепсис. Так что, совершенствование численных методов, а также аналитическое подтверждение наблюдаемых в моделировании эффектов, являются важными составляющими нашей работы.

Основной результат двухлетней работы – это обнаружение и аналитическое описание формирования КЭД каскада в такой конфигурации поля, в которой данный процесс прежде считался невозможным. Пока результат является чисто теоретическим и, пожалуй, пока не может быть применён к чему-то конкретному. Однако мы ожидаем, что разработанную нами теорию получится применить для конфигураций, оптимальных с точки зрения эксперимента. Тогда можно будет говорить о сравнении теории и эксперимента, что является неотъемлемой частью физики.

Анастасия Емельянова, аспирант ИПФ РАН 1 года обучения, стажер-исследователь отдела нелинейной динамики ИПФ РАН

Я исследую явление смешанной динамики, которая считается новым, третьим, типом хаоса, в системе адаптивно связанных фазовых осцилляторов (это, например, маятники). До недавнего времени было четкое разделение хаотических систем на два типа: консервативные и диссипативные. Третий тип хаоса характеризуется тем, что в нем одновременно сосуществуют и являются неразделимыми элементы динамики обоих систем. Один из ключевых признаков смешанной динамики – пересечение, но не совпадение хаотических аттракторов с хаотическими репеллерами (это аттракторы в обратном времени). Такое явление долго не наблюдали.

Сложность нашего исследования заключается в том, что концепция трёх типов хаоса имеет небольшую историю и систем со смешанной динамикой ещё очень мало. Кроме того, ранее они относились к узкому классу обратимых во времени систем, и вся разработанная ранее теория применялась именно к ним. А изучаемая мной система является первой системой самого общего вида, в которой наблюдается такой тип динамики. Поэтому приходится быть в некотором роде первопроходцами и самостоятельно изобретать способы изучения нового типа хаоса. Чтобы исследовать характеристики смешанной динамики, мы использовали численные методы, а для того, чтобы приблизиться к пониманию её природы, – аналитические (например, геометрическая теория сингулярных возмущений и другие методы теории колебаний).

Мы приблизились к пониманию того, как смешанная динамика исчезает в рассматриваемой системе на верхней границе по контрольному параметру. Изучили некоторые характеристики предельного множества, образующегося в системах со смешанной динамикой - обратимого ядра, - такие как его структурная устойчивость и фрактальная размерность. Поскольку явление относится к фундаментальной науке, к тому же мало изучено, где конкретно его можно будет применить – покажет время.