История науки
Лазеры исследуют атмосферу
O.K. костко,
доктор физико-математических наук Институт прикладной геофизики им. Е.К. Фёдорова Росгидромета
В 1905 г. наш соотечественник В.В. Кузнецов подготовил и провел достаточно неожиданный эксперимент. Установив на поверхности Земли мощный прожектор, он ночью направил его луч на облака. На некотором расстоянии от прожектора был размещен прибор, регистрирующий рассеянный облаком свет. Изменяя угол наблюдения, из простых геометрических соотношений В.В. Кузнецов определил высоту облаков, наиболее интенсивно рассеивающих свет.
Этот опыт ознаменовал начало прожекторного зондирования атмосферы, которое развивалось в течение 50 с лишним лет - от измерения высоты облаков до определения общего содержания молекул и атомов в единице объема воздуха на высотах до 70 км. Прожекторное зондирование атмосферы позволило исследовать атмосферу Земли с помощью локационных оптических средств. Обратим внимание на термин "локационных". Свойства атмосферы в оптическом диапазоне электромагнитных волн можно изучать, используя излучение Солнца или свечение метеорной материи в верхних слоях атмосферы в качестве источника света. В опытах же В.В. Кузнецова и многих других специалистов применя-
© Костко O.K.
лись локационный принцип измерений и прожектор с приемником.
Характеристики атмосферы получены в основном контактными методами. Применялись приборы, установленные на шарах-пилотах, самолетах, метеорологических ракетах, ИСЗ. Эти методы обладают многими существенными недостатками: подъемные средства имеют большую цену, невозможность получить информацию в любой точке Земли, необходимость учитывать сложные газодинамические эффекты взаимодействия измерительного прибора с воздушной средой.
Ученые, занимающиеся прожекторным зондированием, пытались с помощью технических ухищрений повысить потолок измерений, расширить диапазон исследуемых параметров атмосферы. Но возможности прожекторного луча ограничены. В 1960 г. был создан принципиально новый источник оптического излучения - монохроматический когерентный лазер большой мощности. Эти свойства лазера позволили не только значительно увеличить высоту измерений, но и изучаемые параметры атмосферы.
Три года спустя после создания лазера итальянский ученый Дж. Фиокко опубликовал первую работу о лазер-
59
Специалисты по лазерному зондированию атмосферы Ю.С. Макушкин, O.K. Костко, К.П. Василевский и В.М. Захаров. Томск, 1977г.
ном зондировании атмосферы. Используя лазерный локатор, установленный на поверхности Земли, он провел измерения высоты и толщины серебристых облаков, образующихся на высотах 7080 км, исследовал рассеивающие свойства атмосферы до высот 140 км.
В дальнейшем были получены результаты изучения атмосферных процессов и определения характеристик атмосферы с помощью лазеров в приземном слое, тропосфере, стратосфере и мезосфере. Образовались многочисленные группы ученых, изучающих атмосферу с помощью лазеров в США (около 50), Германии (14), России, Англии, Франции, Швеции, Швейцарии, Канаде, Норвегии, Голландии, Италии, Японии, Индии, Китае, Австралии, Польше, - всего около 100 исследовательских центров.
Теоретическими изысканиями и экспериментами с применением лазеров для изучения атмосферы занимались
в СССР, а затем и в России Роском-гидромет (Центральная аэрологическая обсерватория), Институт экспериментальной метеорологии (ныне НПО "Тайфун"), Главная геофизическая обсерватория, Институт прикладной геофизики им. Е.К. Фёдорова), Институт оптики атмосферы им. В.Е. Зуева СО РАН, МГУ, Харьковский институт радиоэлектроники, Институт общей физики РАН, Институт спектроскопии РАН.
При распространении лазерного луча используются эффекты взаимодействия электромагнитной волны с воздушной средой, позволяющие сделать заключение о свойствах атмосферы. К таким эффектам относятся рассеяние на атмосферных аэрозолях, рэ-леевское рассеяние, спонтанное комбинационное рассеяние, резонансное рассеяние и поглощение, деполяризация, доплеровское уширение линий и сдвиг частоты излучения, флуктуа-
ции амплитуды и фазы световой волны. Многие перечисленные явления наблюдается одновременно, и задача заключается в создании способов выделения из общей информации той части, которая содержит интересующую характеристику атмосферы. Используя лазерные методы, можно получить данные о всех наиболее важных параметрах атмосферы.
По техническому воплощению лазерные способы изучения атмосферы можно разделить на два основных. В первом (базовом) используются разнесенные по трассе измерений лазер и приемник излучения или совмещенный лазер-приемник и отражатель на другом конце трассы. Во втором (локационном) лазер и приемник обратного рассеянного излучения в атмосфере совмещены в лазерном локаторе, или лидаре (LIDAR, light detection and ranging - лазерная система обнаружения и измерения дальности).
Лидар по своему устройству аналогичен радару. Только в качестве передатчика применяется лазер, а антенной служит оптическое устройство, например телескоп или фотообъектив. За приемной оптической антенной установлены узкополосный интерференционный фильтр, отсекающий паразитное излучение, вызванное, например, свечением ночного неба, светом звезд, принимающий сигнал фотоэлектронный умножитель (ФЭУ) и радиотехническая аппаратура детектирования.
Практические задачи метеорологии требуют в первую очередь дистанционных средств исследования атмосферы. Кроме того, при изучении верхних слоев атмосферы достаточно сложно получить информацию из-за уменьшающейся с высотой плотности воздуха. Базовым лазерным методом чаще всего изучают турбулентные неоднородности приземного слоя атмосферы и измеряют поглощение лазерного излучения атмосферными газами и ослабления при распространении излучения в разных метеорологических условиях.
Геофизический лидар, созданный в НПО 'Тайфун", г. Обнинск.
При локационных измерениях параметров атмосферы необходимо помнить, что турбулентные движения в атмосфере, влекущие за собой случайное изменение температуры, а следовательно и показателя преломления, вызывают флуктуации амплитуды и фазы световой волны. В некоторых случаях это явление может исказить информацию, получаемую при обратном рассеянном лазерном сигнале. Кроме самостоятельных научных задач, подобные исследования в основном продиктованы разработкой лазерных средств связи.
Лазерно-локационные измерения параметров атмосферы проводятся дистанционно и не нуждаются в метеорологических подъемных средствах, таких как шары-пилоты и метеорологические ракеты. Лидары можно использовать в любой точке Земли, в отличие, например, от ракет, и получать при зондировании разрезы атмосфе-
Лидар для мониторинга стратосферного аэрозоля в Центральной аэрологической обсерватории. 1990 г.
ры за небольшие промежутки времени, когда состояние основных атмосферных параметров не успевает измениться. Значительная энергия излучения современных лазеров позволяет принять на Земле сигнал, обусловленный рассеянием в высоких слоях атмосфе-
ры. Большая частота посылок зондирующего импульса дает возможность следить за быстро меняющимися вариациями параметров атмосферы, а пространственное разрешение, зависящее от длительности импульса лазера, позволяет детально определять
Температура, К
220 240 260 220 240 260 220 240 260 220 240 260 220 240 260
Температура, К
Результаты лидарных наблюдений (жирная кривая) стратосферного потепления в январе 2013 г. над Томском. Для сравнения показаны среднемесячный профиль модели С1ЯА-86 (пунктирная кривая) и профили по данным синхронных наблюдений с французского ИСЗ "Аура" (кривая с точками). По данным В.Н. Маричева.
структуру изучаемого метеорологического образования. Использование волн оптического диапазона разрешает создать малогабаритную прием-но-передающую аппаратуру лазерного локатора по сравнению с аналогичной радиотехнической аппаратурой, что важно при создании бортовых лазерных систем.
В большинстве первых экспериментов по лазерному зондированию атмосферы использовались импульсные лазеры с достаточно скромными характеристиками, например лазер на рубине (А = 694,3 нм, 1 нм = Ю-9 м) с энергией излучения в импульсе 0,1-1 Дж
при длительности импульса 30 не (3 х 10_8с). Это означает, что в атмосферу из лазера со скоростью света выбрасывается сгусток фотонов, причем последний фотон вырывается из лазера позже первого на 30 не. Такой "световой зонд" за тысячную долю секунды пролетает сквозь атмосферу толщиной 300 км. Пространственная протяженность зонда в данном случае составляет /. = 9 м (/. = с?, где с -скорость света, ? - длительность импульса). Обычно эту величину делят пополам и называют локационной протяженностью импульса. Не будем уточнять, зачем это делают, главное, что
о ц
о Э № Й О, и
Э о >» св Е? СХ
Б §
О
О 8 и 2 о 2
3 м
8.8 &1 &
р ^ § I
Б§
ТО М р, А
\о « о „
101 -
2 ю
>и О
° 3
Р.
и
и
в
о
10
■1 -
Сент-Хелес
Фуэго
Сьерра-Негра
1976
1978
1980
Годы
График содержания аэрозолей в верхней тропосфере и нижней стратосфере. Количество аэрозолей возрастает после вулканических извержений. Результаты измерений с помощью лидаров и аэрозольных зондов, поднимаемых на шарах-пилотах, совпадают. Стрелки указывают время крупных вулканических извержений.
импульс такой длительности занимает в пространстве несколько метров. Отсюда и высокое пространственное разрешение: зондируя облака, например, можно определять интенсивность рассеянного света через каждые несколько метров, или, другими словами, изучать тонкую структуру облака.
При энергии излучения лазера на рубине 1 Дж "световой зонд" содержит 3,5-1018 фотонов. Для сравнения: солнечное излучение, приходящее на
границу верхней атмосферы каждые 30 не, на длине волны излучения рубинового лазера "поставляет" всего лишь 108 фотонов. Излучение лазера когерентно и монохроматично: число фотонов с чуть большей или меньшей длиной волны излучения по сравнению с основной обычно не превышает сотые доли процента. Эти свойства определяют возможности лазерного зондирования, его существенное преимущество
по сравнению, например, с
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.