Блискавична хмарна томографія: новий алгоритм ставить кліматичні дослідження з ніг на голову

Хмари — це не просто пухнасті білі фігури на небі. По-перше, вони життєво важливі для регулювання клімату нашої планети, по-друге, саме вони впливають на колообіг води, динаміку атмосфери й навіть енергетичний баланс, пише SciTechDaily.

Однак вивчати хмари дуже непросто. Один зі способів, яким користуються дослідники, ґрунтується на використанні космічних сканерів, але він, на жаль, недосконалий — вчені стикаються з проблемами ефективності та масштабованості.

У Фокус. Технології з'явився свій Telegram-канал. Підписуйтесь, щоб не пропускати найсвіжіші та захопливі новини зі світу науки!

У новому дослідженні вчені Ідо Чернінський та Йоав Шехнер із факультету електротехніки та обчислювальної техніки Вітербі Ізраїльського технологічного інституту Техніон спробували подолати обмеження, з якими раніше стикалися дослідники під час вивчення хмар. Вони розробили обчислювальний метод, що дозволяє відновити тривимірний розподіл хмар.

Дослідники вважають, що їхня нова структура може бути використана для комп'ютерної томографії на основі розсіювання. Зазначимо, що в більш ранніх дослідженнях вчені вже застосовували КТ розсіювання, проте тоді вони зіткнулися з низкою проблем, зокрема: проблемою обчислювальних витрат і застосування великомасштабних сценаріїв. Крім того, розсіювання світла у хмарах залежить від низки факторів, наприклад:

• довжини хвилі світла;
• розміру крапель води;
• розміру інших частинок у повітрі.

Під час дослідження вчені використали новий алгоритм, щоб прискорити зворотний рендеринг — обчислювальний метод, що застосовується у комп'ютерній графіці, й дозволяє оцінити властивості 3D-зображень, таких як форма, освітлення, властивості матеріалів об'єктів. І все це ґрунтуючись на двовимірному зображенні. Далі дослідники провели низку експериментів та продемонстрували точність зображення тривимірного аналізу хмар, отриманого на основі нового алгоритму. В експериментах використали як змодельовані, і реальні дані.

Попри певний прогрес у вивченні хмар, вчені зазначають, що існують деякі проблеми. Наприклад, вивчення зворотного зв'язку клімату та хмар вимагає точного опису мікрофізики останніх, що також включає і вивчення процесів, що відбуваються безпосередньо всередині самої хмари. Новий алгоритм включає оптичні параметри, але параметри розміру і матеріалів, а тому в подальших дослідженнях вчені планують розширити новий алгоритм, додавши у нього і мікрофізичні параметри.

Зазначимо, що ключовим нововведенням авторів є алгоритм, який прискорює роботу над зворотним завданням рендерингу зображення. Як правило, зворотний рендеринг вимагає кількох повторень для уточнення змінних, що потребує досить багато часу, та й сам процес зворотного рендерингу не є швидким.

У новому алгоритмі вчені розв'язали цю проблему — для цього вони навчили алгоритм повторно використовувати шляхи з попередніх повторень під час зворотного рендерингу. Цей підхід використовує шляхи з попередніх повторень для оцінки втрат градієнта на поточному повторенні, що дуже скорочує час виконання ітерації.

Раніше Фокус писав про те, що вчені знімають із хмар відповідальність за зміну клімату.