Физика

РОЛЬ ЛАЗЕРОВ В ИССЛЕДОВАНИИ АТМОСФЕРЫ И ОКЕАНА

Прежде всего хотелось бы напомнить: за изобретение лазеров академики Н.Г. Басов, A.M. Прохоров и американский профессор Ч. Таунс в 1964 г. получили Нобелевскую премию. В отзывах о событии как специалистов, так и неспециалистов говорилось, что лазеры -новое чудо XX в. Жизнь подтвердила столь высокую оценку.

Исключительна роль лазеров в изучении окружающей среды, в особенности атмосферы и океана. Этому способствуют их уникальные характеристики, а именно возможность вырабатывать с их помощью чрезвычайно высокие мощности и энергию, необыкновенная монохроматичность, малая расходимость, когерентность и т.п.

Основное средство для исследований или мониторинга - лидары - созданы с использованием лазеров. Они позволяют получать профили тех или иных параметров, скажем, в атмосфере - влажности, концентрации аэрозолей, а также температуры, скорости и направления ветра и др. Дело в том, что, распространяясь в среде, лазерный луч взаимодействует с ее составом, например, его излучение рассеивается аэрозолями во все стороны по известным законам. Часть этого излучения, возвращенную назад, и регистрирует лидар. Зарегистрированный им профиль сигнала после специальной обработки позволяет судить, допустим, о концентрации молекул водяного пара или влажности и иной информации.

Лидары состоят из лазера, приемного зеркала и электронного блока для обработки принятых сигналов. Все это может находиться стационарно на земле, на автомобиле, на борту корабля или самолета, а также на космическом носителе. Ниже мы дадим краткую информацию о лидарах и результатах лазерного зондирования атмосферы и океана, выполненных в Институте оптики атмосферы СО РАН - его создателем и директором вот уже 28 лет является автор настоящей статьи(*).

Институт открыт в 1969 г. на базе лаборатории инфракрасных излучений Сибирского физико-технического института при Томском университете. В научном плане здесь решают проблемы взаимодействия оптических волн с атмосферой - одновременно поглощающей, излучающей, рассеивающей и случайно-неоднородной средой. В 1971 г. мы сформировали крупное специальное конструкторское бюро "Оптика", совместно с которым разработаны и внедрены в практику уникальные комплексы аппаратуры, в том числе не имеющие аналогов лидары для зондирования атмосферы, лазерные навигационные системы для посадки самолетов, проводки судов при отсутствии видимости стандартных маяков, лазеры на парах металлов, лазерные спектрометры высокого и сверхвысокого разрешения, лазерные газоанализаторы, обеспечивающие концентрационную чувствительность в тысячу и более раз выше, чем стандартные методы спектрального анализа и т.д.

В результате многолетних систематических экспериментальных и теоретических исследований в институте создан и применен на практике поляризационный мобильный аэрозольный лидар ЛОЗА-3 для исследования оптико-физического состояния нижних слоев атмосферы (на горизонтальных и наклонных трассах), в частности для определения наклонной дальности видимости в аэропортах, а также дистанционного контроля запыленности воздушного бассейна индустриальных центров. В отличие от традиционных приборов, он позволяет изучать оптические характеристики атмосферы оперативно и в любом направлении полусферы. На его базе выпущена опытно- промышленная партия аппаратов "Электроника-01" для определения количества индустриальных выбросов, ныне у нас разрабатывают лидар "Электроника-03" для определения наклонной дальности видимости в сложных погодных условиях.

Из-за плохого проникновения электромагнитных и звуковых волн через водную поверхность традиционные радио- и акустические локаторы непригодны при изучении системы "атмосфера - океан". Исправить положение призван наш самолетный поляризационный лидар "Макрель-2" с автономной автоматизированной системой обработки данных зондирования. Его применяют для определения мутности воды, глубины дна на мелководье, изучения приводного аэрозоля и тумана, измерения высоты полета. При зондировании с самолетов на высотах в 1 км и выше он позволил обнаружить области с аномально высокой концентрацией аэрозоля (примерно на порядок выше средней), имеющие размеры по ширине 10-20 км и по высоте 0,3-0,6 км, причем в радиусе прямой видимости от них отсутствуют локальные источники аэрозолей. Такие "облака" неоднократно были зарегистрированы над различными районами нашей страны в любое время года.

На основе обширного класса нелинейных и когерентных оптических эффектов предложены новые, более эффективные методы лазерного зондирования. Они реализованы в таких основных аппаратурных разработках, как спектрохимический лидар для дистанционного экспресс-анализа вещества аэрозолей и подстилающей поверхности по эмиссионным спектрам лазерной искры. Создан также оптико-акустический локатор для измерения метеопараметров атмосферы, сверхвысокочувствительные лидары на базе когерентного лазерного приема эхосигналов для диагностики газовых аномалий атмосферы.

С освоением солнечно-слепого ультрафиолетового диапазона спектра появилась возможность создания помехозащищенных устройств лазерного зондирования. Первым таким прибором стал лидар, основанный на комбинированном рассеянии излучения, с лазером на молекулах соединения криптона и фтора. Он определяет газовые микропримеси в атмосфере с концентрацией на уровне 10^- 5 атм на дистанциях от 1 км в любое время суток. А для изучения влажности предназначен уникальный автоматизированный лидар "Диалог", с помощью которого впервые в мире осуществлено определение высотного профиля водяного пара (до 10 км).

Развиваются лидарные измерения концентрации газов промышленного происхождения с использованием метода дифференциального поглощения и перестраиваемых по частоте лазеров инфракрасного диапазона спектра. Соответствующие газоанализаторы успешно работали в Новокузнецке, Кемерове, Москве, других городах. Совместно с Сибирским физико-техническим институтом им. В. Д. Кузнецова разработаны высокоэффективные удвоители частоты излучения лазеров среднего ИК-диапазона на основе тройных полупроводников ZnGeP2 и CdGeAs. В итоге эффективность наносекундного СО-лазера достигла 83%, став абсолютным мировым достижением для такого диапазона спектра. Рекордными являются и эффективности удвоителей частоты излучения СО-, СО-лазеров всех типов импульсного NH-i-лазера. На основе СО3-лазера и удвоителя частоты из тройных полупроводников ZnGeP создан газоанализатор, позволяющий в реальном масштабе времени определять концентрации атмосферных и загрязняющих газов.

Получены нами важные и оригинальные результаты и в последнее время. Начнем с проблемы озона, будоражащей все человечество. Прежде всего подчеркнем: средства массовой информации связывают разрушение его слоя в земной атмосфере исключительно с антропогенными факторами, обусловленными индустриальной деятельностью и жизнью людей. Причем больше всего "достается" выбрасываемым в окружающую среду фреонам. Однако это объяснение безусловно однобоко. Дело в том, что концентрация озона зависит не только от антропогенных факторов, но и от наличия окислов азота, ряда других газов. Кроме того, влияют и естественные условия, складывающиеся прежде всего в атмосфере. Лишь изучив состояние всех этих компонентов, можно уверенно ответить на вопрос о "судьбе" озона. Более того, искомый ответ требует знания механизмов геофизических и химико-физических процессов, влияющих на изменения концентрации молекул озона в атмосфере. И именно исследования последних механизмов имеет главнейшее значение во всей обсуждаемой проблеме.

Для ее решения в Институте оптики атмосферы создана Сибирская лидарная станция, размещенная в специально построенном пятиэтажном здании. Благодаря этому в настоящее время мы регулярно проводим зондирование атмосферы с одновременным использованием десяти различных лазеров и пяти телескопов с диаметрами приемных зеркал 2,2; 1,0; 0,5; 0,3 м, что позволяет одновременно получать профили концентрации молекул озона, окислов азота N0 и NO, температуры, концентрации частиц аэрозолей и их распределения по размерам в интервале высот от О до 50 км. Из полученных к настоящему времени результатов однозначно следует вывод: бытующее мнение о главной причине деструкции озонового слоя, связанной с фреонами, несостоятельно. Мы уверены, что эта проблема с использованием уникальной в мировом масштабе Сибирской лидарной станции в принципиальном плане будет решена в ближайшие годы.

Подчеркнем далее, что та же станция сыграла важную роль в исследовании вулканических аэрозолей над Томском с момента их появления и до полного исчезновения. Речь идет о вулкане Пинотуба. Самое мощное его извержение за последние сто лет произошло на Филиппинах в середине июня 1991 г. Через три недели (точнее 6 июля 1991 г.) мы зарегистрировали появление первых вулканических аэрозолей над нашим городом. Отношение коэффициентов аэрозольного и молекулярного рассеяния на высоте около 15 км, обычно равное единице, заметно возросло. 9 июля оно уже достигло величины 2. В дальнейшем доходило до величины около 10 (в январе-феврале 1992 г. в связи с возросшим заполнением стратосферы вулканическими облаками над всей планетой). Наши регулярные зондирования однозначно показали, что следы деятельности данного вулкана в атмосфере исчезли лишь в конце 1995 г.

Второе комплексное решение, касающееся экологических исследований атмосферы и океана, ведущееся в Институте оптики атмосферы, связано с самолетом-лабораторией "Ан-30-Оптика". Эта программа осуществляется много лет и продолжается ныне. Еще до 90-х годов была обследована атмосфера над 108 городами СССР. А в последнее время самолет-лабораторию в основном используем для зондирования прозрачности поверхностных слоев водных бассейнов, в том числе озера Байкал, частично Атлантического океана, Северного моря и других, окружающих Англию водных бассейнов, прежде всего на контрактных условиях. Главным инструментом таких исследований является наш лидар "Макрель-2", с помощью которого получена и карта прозрачности поверхности слоев озера Байкал по всей акватории.

Вместе с тем тот же лайнер оснащен целой совокупностью нестандартного оборудования, в том числе солнечным спектрометром, хроматографом, нефелометром (оптический прибор для измерения мутности жидкостей и газов), термо- и гидрооптическими средствами. Кроме того, на борту - спектрофотометр с записывающей системой, радиометр, термовизор с записывающей системой и т.д. По набору уникального оборудования самолет- лаборатория не имеет аналогов в мире.

В 1992 г. с ее помощью было проведено комплексное экологическое обследование атмосферы нефтяной столицы Тюменского нефтегазового бассейна г. Са-мотлор. Тогда наиболее значимые данные были получены о химическом составе аэрозольных частиц на различных высотах в разные сезоны года. Речь идет о следующих тридцати компонентах: РН; F-; Na+; K+; Cl-; Br-; NO3-; NH4+; SO2-/3; Hg2+; As5+; Zn2+; Cd2+; Fe; Mg; Mn; Pb; Cr; Sn; W; Ni; Al; Ti; Cu; V; B; Ba; Ca; Si; CO. Теперь также известны значения средних концентраций mg/м3 в теплое время года: О3, NH3, ацетилена, ацетона, бензола, ксилена, NO2, СO2, SO2, H2S, толуола, Cl2, сумма CH. Как оказалось, здесь эти параметры по сравнению с допустимыми выше от 2,8 до 314 раз (ацетилен).

В заключение кратко остановлюсь на конкретных установках, созданных в нашем институте и основанных на использовании оригинальных идей. Начнем со спектрохимического лидара, созданного под руководством доктора физико-математических наук Ю.Д. Копытина. Идея заложенного в нем метода состоит в следующем. Если энергию лазера с помощью оптики сконцентрировать в одном фокусе, она создает пробой атмосферы или лазерную искру, в пламени которой происходят процессы испарения аэрозолей с последующим возбуждением и диссоциацией молекул и ионизацией атомов и молекул. Регистрируя соответствующие спектры, можно получить данные о концентрации молекул, атомов и их ионов, а используя мощные акустические волны, образуемые в лазерной искре, -данные о ряде других параметров атмосферы. Подчеркнем, что явление лазерной искры применимо и для анализа твердых и жидких сред.

Следующая оригинальная идея связана с разработкой так называемого ЛП-лидара (лидара с приемом на лазер) или использование самого лазера как усилителя, что обеспечивает повышение концентрационной чувствительности на порядки величины. Эта идея хороша для осуществления дистанционного анализа компонентов с малой концентрацией как в атмосфере, так и в водной и твердой средах.

При зондировании загрязнений водной поверхности нефтяными пленками мы исходим из того, что они способны флюоресцировать. Это улавливают специальные лазеры, благодаря чему теперь осуществляется надежное определение толщин тонких нефтяных пленок на поверхности озер, рек, морей.

Таковы на сегодняшний день далеко не исчерпанные возможности лазера - чуда двадцатого века.


Академик В.Е. ЗУЕВ, директор Института оптики атмосферы СО РАН

Постановка на кадастровый учет как поставить на государственный кадастровый учет.
Авторские права на статьи принадлежат их авторам
Проект компании Kocmi LTD