Кто придумал лазерный прибор, которому нипочем даже лютый холод Антарктики? История изобретения
Лазерное сканирование, Лазерные технологии, Лазеры в науке 01.09.2023 Комментарии к записи Кто придумал лазерный прибор, которому нипочем даже лютый холод Антарктики? История изобретения отключеныВо время 15-й Белорусской антарктической экспедиции отечественный лидар впервые и с успехом испытали в экстремальных полярных условиях. Как полагают эксперты, это очередной и очень серьезный шаг вперед, открывающий принципиально новые возможности для изучения атмосферных процессов, развития климатологии и экологии. В частности, проблем, связанных с трансграничным переносом загрязняющих веществ.
Между небом и землей
В этой истории немало удивительных моментов. Взять хотя бы такой. Впервые отечественный прибор лазерного зондирования, точнее его далекий прообраз, «засветился» в… Бермудском треугольнике. В далеких 1970-х наши ученые-физики участвовали в международной экспедиции и, по свидетельству члена-корреспондента НАН Беларуси Аркадия Иванова, на научно-исследовательском судне «Академик Вернадский» в течение трех месяцев совершили немало рейдов в западную часть Саргассова моря, пережив 9-бальный шторм и тропическую жару. В этих сложных условиях испытали в действии прозрачномеры. Именно так назывались разработанные белорусскими физиками оптические приборы, позволяющие изучить распространение световой волны в водной среде.
Надо сказать, в то время эта тема научных исследований была настолько популярна, что в Институте физики Академии наук БССР построили специальный двухэтажный корпус, в котором первый этаж и подвальную часть отвели под бассейн и систему очистки воды, добиваясь, чтобы по чистоте вода была подобна морской. Там ученые проводили эксперименты с лазером. Периодически выезжали с лазерной аппаратурой на нарочанские водоемы, чтобы в естественных условиях изучать гидрооптические характеристики светового поля, создаваемого лазерным импульсом. На озере Нарочь в 1965 году осуществлены первые в СССР эксперименты по лазерному зондированию воды природных водоемов. Наши физики смогли исследовать с помощью лазера даже зарождающийся туман и отслеживали его трансформацию во времени.
Авангардное научное направление подхватили исследователи во всем мире. В Беларуси же тем временем создали целую серию из 25 лидаров различного назначения для работы в стационарных и мобильных условиях — на автотехнике, самолетах и кораблях. С передовой лазерной техникой белорусские ученые побывали во многих регионах бывшего СССР. В пустынях Средней Азии, на Камчатке и Курильских островах, а также в районах Мирового океана они изучали спектры оптических характеристик и микроструктуры атмосферного аэрозоля. Определяли динамику его вертикальных профилей, «заглядывая» с помощью лидара в стратосферные слои на высоту 10-35 километров. Не освоенной белорусским лазером оставалась лишь Антарктида с ее экстремальными полярными холодами…
«Слово «лидар» не зря похоже по смыслу на «радар».
Почти полстолетия в лидарной тематике исследований заведующий Центром оптического дистанционного зондирования Института физики имени Б.И. Степанова НАН Беларуси кандидат физико-технических наук Анатолий Чайковский — с тех пор, как в 1974 году возглавил группу лазерного зондирования. Авторитетного исследователя мы попросили рассказать о сути лидарного процесса. Со слов ученого, он достаточно прост.
— Слово «лидар» не зря похоже по смыслу на «радар». Только радар работает в диапазоне радиоволн, а лидар посылает в атмосферу короткий световой импульс, — объясняет Анатолий Чайковский. — В различные промежутки времени он засвечивает разные участки пространства порядка 3-10 метров. Чем больше временной отрезок, тем более удален интересующий нас объект. Рассеянное от него излучение затем отправляется назад к лазеру уже, по сути, с необходимой исследователю информацией. Если сканировать лучом под разными углами, то сведения об атмосфере будут получены по значительно большему пространству. Оно увеличивается, если прибор находится на перемещающемся носителе — автомобиле, корабле, самолете или космическом аппарате.
Несмотря на кажущуюся простоту, лидарный комплекс высокотехнологичен. Только представьте: расстояние, которое требуется пройти световому лучу, чтобы попасть на изучаемый объект и обратно, он преодолевает со скоростью ни много ни мало 299 792 458 метров в секунду. Белорусские лидарные системы способны генерировать около 20 импульсов в секунду. Каждое из этих измерений прибор зондирования преобразует в трехмерное изображение. Это позволяет, к примеру, определить точную высоту слоя капелек аэрозоля в атмосфере, составить точное представление об их структуре и объеме.
У лазерного зондирования несомненно много достоинств, и ученые Института физики могут об этом говорить бесконечно. Отметим лишь главные. Во-первых, с помощью лидара можно измерить оптические характеристики атмосферы, определяющие радиационный режим, климат Земли. Во-вторых, выяснить концентрацию разных газов естественного и антропогенного происхождения на уровне предельно допустимых концентраций (ПДК) и даже ниже. В-третьих, определить концентрацию и формы частиц аэрозоля. По отраженному свету лазера можно судить о направлении и скорости ветра, плотности воздуха, давления, составить профиль температуры, влажности в разных участках пространства, причем на дальности от 0,1 до 35, для специальных приборов — до 60 километров.
Неудивительно, что исследователи сходятся во мнении: изобретение лидаров наряду с появлением его предшественника — лазера, дало толчок к подлинной технической революции в оптическом зондировании атмосферы, открыло широкие возможности для решения амбициозных задач.
Поначалу их применяли в военных целях, в космической и метеорологической сферах. Однако с развитием и удешевлением микроэлектроники ситуация поменялась. Океанографы теперь используют приборы лазерного зондирования для отслеживания береговой эрозии, ботаники — для измерения меняющейся структуры лесов, географы — для составления подробных карт местности. Мощные лидары, установленные на самолетах, способны составлять карты целых регионов, используя различные методы сканирования. Применяются эти системы и для изучения газового состава атмосферы — летучие вещества в разной степени поглощают отраженный луч, и таким образом возможно высчитать их концентрацию. Есть лидары, как уже упоминалось, на космических аппаратах. Например, на МКС установлена система GEDI, ее с 2018 года используют для исследования лесов. Ученым, в частности, удалось создать уникальную карту высоты лесных массивов по всему миру.
У нас приоритетное внимание уделяют более «приземленным» устройствам — стационарным лидарам для исследования атмосферы. Чтобы их увидеть, что называется, вживую, мы направились в альма-матер лазерных комплексов — Институт физики имени Б.И. Степанова НАН Беларуси, в Центр оптического дистанционного зондирования. Все находящиеся здесь лидары в рабочем состоянии. И весьма габаритные: до верхней части комплекса рукой не дотянуться. Внешне они схожи, но у каждого свое предназначение.
В 2000 году наша страна принимала участие в создании первой Европейской лидарной сети EARLINET, включавшей лазерные комплексы 12 государств. Полученный опыт позволил минчанам вместе с томскими коллегами перейти к организации лидарной сети на территории бывшего Советского Союза. И к 2007 году ее создали. CIS-LiNet объединила семь станций: в Минске, Томске, Москве, Владивостоке, Сургуте, в районе озер Байкал и Иссык-Куль. Благодаря усилиям исследователей удалось наладить надежный контроль за загрязнением атмосферы. Сегодня Европейская лидарная сеть объединяет более 40 государств. Беларусь вошла в нее первой из постсоветских стран.
Отметим, технологии лазерных измерений, которые предложили ученые Института физики, высоко оценили европейские коллеги. На конкурсной основе белорусы получили право вести научный проект по созданию эталонного комплекса для лидарных сетей.
— Лидары активно используются на космических аппаратах. Эксперименты по лазерному зондированию верхних слоев атмосферы из космоса в сочетании с наземным мониторингом дают хорошие результаты, — утверждает Чайковский. — Надеемся, белорусский спутник тоже оснастят нашим лидаром.
Но, собственно, причем тут Антарктида? На ледовом континенте в белорусских антарктических экспедициях побывали, пожалуй, все лидарные комплексы Института физики. В экстремальных условиях они проявили себя по-разному. Взяв во внимание все их плюсы и минусы, ученые создали действительно уникальный прибор лазерного зондирования. Аналогов в мире ему нет.
