Лазерный мир

Работа томского Института оптики атмосферы в наши дни. Про лазеры, самолет-лабораторию, «лесные пожары» в аэрозольной камере и проблемы российской науки

Узнать об изменениях в атмосфере с помощью лазеров, изучить влияние дымов от лесных пожаров на Сибирь и Арктику, дистанционно распознать взрывчатое вещество. Над решением этих и многих других вопросов работают сегодня в Институте оптики атмосферы имени В. Е. Зуева Сибирского отделения Российской академии наук.

Коллектив томского института ведет фундаментальные, поисковые и прикладные исследования в области атмосферной оптики и спектроскопии, лазерной физики и физики атмосферы, вносит свой вклад в изучение проблемы глобального потепления.

Мы решили ближе познакомиться с работой института — чем занимаются ученые и какую пользу приносят добытые ими знания. Понаблюдали за последствиями «лесного пожара» в большой аэрозольной камере и узнали, для чего в атмосферу направляют лазер (тот самый зеленый луч, бьющий в небо).

Вы узнаете:

Чем занимается институт оптики атмосферы?
Как работает лидарная станция?
Откуда берутся зеленые лучи в небе?
Как можно видеть сквозь пламя?
Что такое Большая аэрозольная камера и для чего она ученым?
С какими проблемами сегодня сталкиваются ученые?

Чем занимается Институт оптики атмосферы?
Институт оптики атмосферы имени Владимира Евсеевича Зуева (ИОА СО РАН) — это государственное учреждение, которое относится к Сибирскому отделению Российской академии наук. ИОА СО РАН — первый академический институт Томска, он был образован в 1969 году на базе лаборатории инфракрасных излучений Сибирского физико-технического института при ТГУ. Основатель института — академик Владимир Зуев, чье имя носит учреждение.

— Основная цель создания института заключалась в изучении распространения лазерного излучения в атмосфере на большие расстояния. Это было связано с решением ряда важных прикладных задач страны. С точки зрения науки, для начала, было необходимо исследовать — насколько хорошо или плохо атмосфера пропускает лазерное излучение в разных диапазонах длин волн, — рассказывает директор Института оптики атмосферы, член-корреспондент РАН и доктор физико-математических наук Игорь Пташник.
По его словам, некоторые известные физики-оптики тех лет скептически относились к открытию института, выражая сомнение — как можно изучать оптические свойства такого нестабильного, изменчивого объекта, каким является атмосфера.
— Их можно понять: они привыкли изучать оптические свойства на стационарных объектах, в лабораторных, контролируемых условиях. А атмосфера — объект очень изменчивый, влажность меняется, есть осадки, дымка, турбулентность. Но Владимир Евсеевич Зуев блестяще показал, что это все можно и нужно изучать, — поясняет Пташник.

Игорь Пташник
Немного истории и интересных фактов. В СССР лазерам сначала нашли применение в повседневной жизни — их начали использовать для сварки металлических швов. Потом был проведен эксперимент по передаче телевизионного сигнала через атмосферу по лучу. И через какое-то время на технологию обратили внимание военные, рассказывает «Лента.ру». В 1960-е годы СССР всерьезн заинтересовался созданием космического лазерного оружия: в 1964 году в Союзе стартовала программа «Терра», в рамках которой предполагалось создать лазерную систему, способную сбивать баллистические ракеты. В планы разработчиков входил запуск двух боевых систем — «Скиф» и «Каскад». Первая должна была перехватывать цели при помощи мощного лазера, а вторая предполагала задействовать для этого обычные ракеты.
А в 1980-е президентом США Рональдом Рейганом была запущена программа СОИ («Стратегическая оборонная инициатива»). Основной целью было создание научно-технического задела для разработки системы противоракетной обороны с элементами космического базирования. Предполагалось создать противоракетный «щит» для прикрытия территории Северной Америки. Для американского общества презентация Рейгана выглядела фантастически, из-за чего проект получил неофициальное название «Звездные войны», в честь вышедшей незадолго до этого киноэпопеи Джорджа Лукаса.

К концу 80-х политическая и экономическая ситуация в СССР и мире начала меняться. Был взят «курс на мирный космос».
Возвращаемся в наши дни. Сегодня в ИОА СО РАН работают четыре научных отделения:
распространения оптических волн;
спектроскопии атмосферы;
радиационных составляющих климата;
лазерного зондирования.
Возможно, вы видели в Томске зеленый луч, направленный в небо, — эта работа Сибирской лидарной станции института. На станции ведется регулярное зондирование атмосферы для измерения вертикального распределения температуры и влажности воздуха, определения характеристик аэрозоля, облачности, озона.
Лидар работает, посылая короткие импульсы лазерного света в атмосферу. Эти импульсы рассеиваются в атмосфере (на молекулах воздуха и аэрозольных частицах) во все стороны, и часть рассеянного излучения возвращается назад к лидару. Телескоп и сверхчувствительные приемники в лидаре регистрируют возвращенные импульсы. Время между излучением лазерного импульса и его возвратом дает информацию о расстоянии с которого вернулось рассеянное излучение.
— Спектр возвращенного лазерного излучения позволяет судить о том, что именно его рассеяло и что поглотилось в атмосфере. В итоге можно судить о спектральном составе и/или о метеорологических параметрах атмосферы на разных расстояниях от лидара, — поясняет Пташник.
Лидарная станция института имеет зеркало диаметром 2,2 метра. Такой размер позволяет смотреть, что происходит в атмосфере на расстоянии до 100 километров. К нему мы еще вернемся.

— Есть у нас прикладные работы для самых разных задач и нужд страны. Сильно вдаваться в подробности я не буду, но несколько слов скажу. Это, например, метод, позволяющий видеть сквозь разреженные объекты, сквозь туман, — рассказывает директор института. — Мы ведем разработку лазеров на парах металлов. Такое оборудование очень полезно, например, для визуализации быстропротекающих процессов в условиях сильной засветки. В качестве примера можно привести сварку. Вы не можете обычным прибором посмотреть, что происходит со свариваемым материалом. Энергия же нашего лазера сосредоточена в узком спектральном диапазоне. И если вы будете рассматривать только излучение, отраженное от объекта сварки (усиленное и вернувшееся назад), то в этом узком спектральном диапазоне вклад широкополосной засветки ничтожен. Она практически нивелируется, — рассказал Игорь Пташник.
За последние годы в связи с проблемой глобального потепления кратно вырос объем работ в Отделении радиационных составляющих климата. При Институте оптики атмосферы функционирует самолет-лаборатория «ТУ-134 «Оптик». С помощью него ученые проводят измерения самых разных параметров атмосферы, включая ее газовый и аэрозольный состав, на высотах — от 0 до 10 км.
— Одно из последних исследований, выполненных с помощью самолета-лаборатории показало, например, что минимальная концентрация СО2 в приповерхностном слое над лесами Западной Сибири начала стремительно расти после примерно 2004 года. Обычно летом концентрация самая низкая, так как леса поглощают парниковые газы, вот эти минимумы стали быстро расти по величине. Скорость этого роста превышает среднюю скорость глобального роста СО2 в атмосфере по земному шару. Это несколько тревожный сигнал, — отмечает руководитель ИОА СО РАН.

Это только часть того, чем занимаются ученые института. Охватить абсолютно все в одном материале невозможно, поэтому мы выбрали несколько направлений. Сейчас отправимся на Сибирскую лидарную станцию.
Лидарная станция: что это такое?
Зондирование газового и аэрозольного состава атмосферы (процесс ее изучения) играет важную роль в научных исследованиях, метеорологии, климатологии и других областях. Полученные данные помогают лучше понять и прогнозировать атмосферные явления и изменение климата.
На базе института работает Сибирская лидарная станция, сотрудники которой проводят лазерное зондирование атмосферы — используют для этого лазерное излучение.

Сергей Бобровников пришел работать в институт оптики атмосферы в 1975 году после окончания университета. Сегодня томич имеет степень доктора физико-математических наук и руководит Отделением лазерного зондирования ИОА СО РАН. Сергей Михайлович был свидетелем того, как в Академгородке строили лидарную станцию.
— В 1989 году тогдашним директором института академиком Владимиром Зуевым был затеян проект строительства гигантской лидарной станции. Академик выдвинул идею построить уникальный лидар с диаметром зеркала порядка двух метров. В мире таких лидаров и тогда не было, нет и сейчас. Это всегда вызывает подозрение — как так в мире нет? Основная проблема, на мой взгляд, заключается в том, что такое дело требует больших капиталовложений, но в то время в СССР на такие проекты государство денег не жалело, — вспоминает Сергей Бобровников.
По его словам, руководство института хотело построить крупный экспериментальный комплекс с сетевой метеорологической станцией, тремя лидарными станциями, взлетно-посадочной полосой для малых летательных аппаратов (которые изучают атмосферу). Но все планы рухнули вместе с распадом Союза. Успели только построить здание для лидарной станции и установить главное зеркало. Интересный факт: специально для института заготовку для зеркала не делали.
— В то время развивался проект БТА (большой телескоп альт-азимутальный, установлен в обсерватории на территории Карачаево-Черкесии — прим. автора) с зеркалом диаметром шесть метров. Долгое время БТА оставался телескопом с крупнейшим в мире монолитным зеркалом. Когда для телескопа делали зеркало, одна из заготовок треснула, образовалось несколько осколков. В один из осколков вписалось зеркало для нашего лидара диаметром 2,2 метра. Зеркало изготовили, нанесли отражающее покрытие и грузовым самолетом доставили в Томск. Зеркало лежит на 18 точках разгрузки, чтобы не позволить силе тяжести испортить идеальную форму отражающей поверхности, — рассказал Бобровников.

Сергей Бобровников
Приемное зеркало в лидаре играет важную роль, поскольку именно оно осуществляет сбор и концентрацию рассеянного из атмосферы в обратном направлении лазерного излучения.
Чем больше площадь зеркала, тем выше чувствительность и, соответственно, потенциал лидара, поясняет Бобровников. По его словам, более чем двухметровый диаметр зеркала позволяет лидару получать отклики с высоты до 100 километров. На этой высоте находится линия Кармана, которая условно принимается в качестве границы между атмосферой Земли и космосом.
— При разработке станции высотного зондирования ставилась задача за счет большой площади приемного зеркала и при условии использования уникальных источников лазерного излучения — добиться максимальной высоты зондирования атмосферных параметров. Идея создания станции в том и состояла, чтобы получать информацию об атмосфере на тех высотах, где другие средства зондирования не эффективны. Радиозонд не долетает, ракетное зондирование несоизмеримо дорого, — объясняет наш собеседник.

Перед Отделением лазерного зондирования (одним из подразделений которого является лидарная станция) стоят разные научные задачи, связанные, в частности, с разработкой методов и средств лазерного зондирования атмосферы, включая теоретические и экспериментальные исследования.
— Например, один из проектов, над которым мы работаем на протяжении ряда лет, — определение вертикального распределения концентрации паров натрия в мезосфере. Пары металлов присутствуют в верхних слоях атмосферы. Причина их возникновения — космическая. Частицы метеоритной пыли, попадая в верхние слои атмосферы, нагреваются и переходят в пар. Состав и концентрация этих паров представляет интерес для геофизики и исследований солнечно-земных связей. Кроме как лидарами наблюдать это явление достаточно трудно. Близится к завершению работа по созданию специального перестраиваемого одночастотного лазерного источника, который позволит измерять ширину контура линии излучения паров натрия и оценивать температуру мезосферы, — рассказал Сергей Бобровников.

Зеленые лучи в небе
Сибирская лидарная станция включает в себя несколько лидарных установок Института оптики атмосферы, в том числе и так называемую Малую станцию высотного зондирования, имеющую приемное зеркало диаметром один метр.
Сейчас мы отправимся в шахту, где установлено двухметровое зеркало. Перед входом можно увидеть несколько лазерных установок. Самая мощная из них используется для дистанционного определения вертикального распределения температуры атмосферы до рекордных высот 80—90 километров. Результаты зондирования сравниваются с данными зондирования из космоса. Этот лазер сотрудники станции запускают не очень часто — оборудование импортное, дорогое. Берегут ресурс.
Есть и лазерные установки меньшей мощности, их используют в рутинных исследованиях на регулярной основе. Правда, возможности измерений часто зависят от погоды.
— В Томске в среднем 90 ясных дней в году. Мешают даже перистые облака. Астроклимат сильно влияет на нашу работу, — поясняет Сергей Бобровников.

Прежде чем запустить лазер, его нужно прогреть. Для небольшой установки достаточно десяти минут, а для большого лазера — полчаса, рассказывает сотрудник Центра лазерного зондирования атмосферы кандидат физико-математических наук Виктор Жарков.
Крыша шахты подвижна. Когда ученым нужно провести зондирование, ее открывают, и луч лазера уходит в небо. Нужное направление достигается благодаря оптическим элементам — зеркалам, линзам. Во время настройки сотрудники используют специальные очки для защиты глаз от мощного лазерного излучения.

По словам ученых, большинство измерений они проводят преимущественно в темное время суток — примерно через 1—1,5 часа после наступления сумерек. Солнечный свет создает фоновый шум, мешающий измерениям и изображение луча лазера будет просто не видно. Именно поэтому рабочий день у сотрудников станции зачастую начинается во второй половине дня и продолжается до поздней ночи. Так как летом в Томске ночи практически нет, приходится прерывать измерения и уходить в отпуска.
Как мы видим зеленый луч? Лазерное излучение рассеивается на частицах атмосферы. Часть этого излучения возвращается назад, в точку наблюдения и попадает в наше поле зрения. На сетчатке глаза формируется изображение луча.

Тот же процесс происходит и в лидарной системе, только вместо глаза там используется специальная оптическая система. В случае станции высотного зондирования — двухметровое зеркало.

Это обратно-рассеянное излучение несет информацию о таких параметрах атмосферы, как концентрация аэрозолей, температура, влажность и другие. Момент же взаимодействия лазерного импульса с атмосферой, так же как и в радиолокации, определяется по задержке лидарного отклика относительно момента излучения импульса лазером.
— Процесс измерения требует времени. Чтобы получить информацию с высоты ста километров, необходимо накапливать сигнал. На это уходит несколько десятков минут. Оптические сигналы регистрируются фотодетекторами, оцифровываются и обрабатываются компьютером, — говорит Бобровников.
Нам очень повезло во время визита на станцию вечером: была прекрасная безоблачная погода. Не упустили момент и ученые, которые включили несколько лидарных установок. Суммарно нам удалось запечатлеть четыре луча в небе — можно сказать, попали в «Звездные войны» Лукаса.

Несколько лет назад Виктор Жарков и его коллега Евгений Горлов стали лауреатами премии президента в области науки и инноваций для молодых ученых. Награду они получили за создание лидара для дистанционного обнаружения следов взрывчатых веществ. Установка способна на расстоянии выявлять источники опасности в условиях интенсивного пассажиропотока и, по сути, заменять «на посту» служебных собак. Правда, пока разработка нигде не используется. По словам Жаркова, у оборудования есть несколько недостатков — его крупные габариты и ультрафиолетовое излучение, небезопасное для глаз. Пока работа над проектом приостановлена из-за недостатка финансирования.
Лазерный монитор, который может видеть сквозь пламя
Несколько лет назад ученые Лаборатории квантовой электроники Института оптики атмосферы совместно с коллегами из Томского политеха разработали лазерный монитор, который позволяет наблюдать за быстропротекающими процессами, скрытыми от глаз мощной засветкой. Фактически с его помощью можно видеть сквозь пламя или сварку, поясняет руководитель лаборатории доктор технических наук Максим Тригуб.
При создании новых материалов с помощью современных технологий, например, лазерного синтеза, возникает мощная засветка. Именно она не позволяет увидеть, как в реальности протекает процесс в области взаимодействия. Лазерный монитор решает эту проблему. Ключевой элемент монитора — усилитель яркости. По сути, это лазер, который освещает объект, а затем усиливает яркость его изображения. Лазеры полностью собираются в институте.
— Сейчас работа сосредоточена на нескольких направлениях. Первое — повышение технических характеристик такой системы, например частоты съемки. Второе — оптимизация всей конструкции, уменьшение размеров оборудования. Это критическая задача для дальнейшей коммерциализации прибора. Третье — применение и использование системы. По большей части сейчас это используется только для научных исследований, — рассказал Максим Тригуб.

БАК, «Дракон» и старение дымов
Мы уже отмечали, что атмосфера — объект очень изменчивый. Разный уровень влажности, осадки, туманы, дымка оказывают сильное влияние на процессы, протекающие в воздушной среде. Это затрудняет проведение исследований. Тут на сцену выходят аэрозольные камеры.
Аэрозольные камеры позволяют создавать контролируемые условия для изучения аэрозольных частиц в лабораторной среде. Можно поддерживать определенный уровень давления, влажность, запускать установки парообразования и распыления, чтобы исследовать разнообразные воздушно-капельные и аэрозольные среды. Время тут у ученых не ограничено.
В Институте оптики атмосферы есть Большая аэрозольная камера объемом две тысячи кубометров и Малая аэрозольная камера в 180 кубических метров. По-простому — БАК и МАК. Они были построены в середине 1980-х годов. Камеры оборудованы иллюминаторами, позволяющими вести наружное наблюдение за экспериментом.

Источник: https://news.vtomske.ru/details/201013-dotyanutsya-do-nebes-kak-v-tomske-izuchayut-atmosferu-i-pri-chem-tut-zvezdnye-voiny