ЛАЗЕР ИССЛЕДУЕТ АТМОСФЕРУ

История оптического зондирования атмосферы началась в 1905 году, когда наш соотечественник В. В. Кузнецов измерил ночью высоту облаков с помощью мощного прожектора. Луч был направлен вертикально вверх, а прибор, регистрирующий рассеянный облаком свет, установлен на определенном расстоянии от прожектора. Изменяя угол наблюдения, из простых геометрических соотношений он определил высоту облаков, наиболее интенсивно рассеивающих свет.

Прожекторное зондирование атмосферы развивалось в течение 50 лет - от простого измерения высоты облаков до определения общего содержания молекул в единице объема воздуха на различных высотах (до 70 километров). Однако возможности даже самого мощного прожектора оказались на этом практически исчерпанными, хотя с помощью различных технических ухищрений и можно было попытаться повысить потолок зондирования. Но делать этого уже не пришлось: в 1960 году был создан принципиально новый источник излучения - лазер, а спустя три года итальянский ученый Дж. Фиокко опубликовал первую работу о лазерном зондировании атмосферы. Годом позже он же провел измерения высоты и толщины серебристых облаков, образующихся на высотах 73 - 83 километров.

В нашей стране первые лазерные эксперименты по изучению атмосферы начала в 1965 году Центральная аэрологическая обсерватория (ЦАО) Госкомгидромета. На исследовательском самолете Ил-18 установили лазерный локатор и всего за несколько полетов получили сведения о поляризации излучения, рассеянного облаками. Эта летающая лаборатория около пятнадцати лет изучала различные типы облаков; результаты измерений, полученные с помощью лазера, контролировались другими методами.

Большая часть существующих ранее методик по измерению характеристик атмосферы была основана на контактных способах. Хотите узнать, например, каковы температура или состав атмосферы выше земной поверхности, - извольте поместить ваш прибор на самолет, шар-пилот, метеорологическую или геофизическую ракету, искусственный спутник Земли. Методы радиолокации ограничены измерениями интенсивности осадков и количества влаги в атмосфере, а состав самой атмосферы определить уже нельзя - газы поглощают радиоволны в тысячу раз слабее, чем водяной пар.

Именно дистанционность лазерных измерений, возможность определить выбранную характеристику воздушной среды на любом направлении лазерного луча и получить самые разнообразные сведения о свойствах атмосферы на различных высотах, хорошее пространственно-временное разрешение (детальное исследование облака, слоя атмосферы и т. д. за короткое время), связанное с малой длительностью импульса и высокой частотой повторения импульсов лазера, и стимулировали столь интенсивное развитие этих методов.

Но прежде чем рассказать о некоторых полученных результатах, остановимся на физических процессах взаимодействия лазерного излучения с воздушной средой.

В большинстве первых экспериментов по лазерному зондированию атмосферы использовались импульсные лазеры с достаточно скромными характеристиками, например лазер на рубине (длина волны излучения 694,3 нм, 1 нм = 10^-9 м) с энергией излучения в импульсе 0,1-1 Дж, при длительности импульса 30 наносекунд (1 нс = 10^-9 с). Это означает, что в атмосферу из лазера со скоростью света ("3.10⁸ м/с) выбрасывается "пачка" фотонов, причем, грубо говоря, последний фотон вырывается из лазера позже первого на 30 наносекунд. Такая пачка фотонов - световой зонд - за тысячную долю секунды пролетает сквозь трехсоткилометровую толщу атмосферы. Пространственная протяженность зонда в данном случае составляет L = 9 м (L = ct, где с - скорость света, t - длительность импульса). Обычно эту величину делят пополам и называют локационной протяженностью импульса. Не будем уточнять, зачем это делают, главное, что 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 наносекунд, на длине волны излучения рубинового лазера "поставляет" всего лишь 10⁸ фотонов. Излучение лазера когерентно и монохроматично: число фотонов, имеющих чуть большую или меньшую длину волны излучения по сравнению с основной, обычно не превышает сотые доли процента. Эти свойства определяют возможности лазерного зондирования, их огромные преимущества по сравнению, например, с прожекторным лучом.

Налетая на молекулу или частицу аэрозоля, фотон может участвовать в нескольких процессах. Первый: фотон полностью передает свою энергию, например молекуле. Вещество нагревается, а сам фотон исчезает - это процесс поглощения. Второй: фотон при столкновении изменяет направление движения - происходит рассеяние.

Столкнувшись с молекулой, фотон может поглотиться с последующим испусканием других фотонов. Это третий процесс - спонтанное комбинационное рассеяние (СКР).

Если частота энергетического перехода в спектре атома совпадает с частотой излученного лазером фотона, наблюдается процесс резонансного рассеяния (РР).

Молекулы и атомы воздуха находятся в хаотическом, тепловом движении, а аэрозоли, более тяжелые частички, переносит ветер. Вспомним еще одно физическое явление - эффект Доплера. В акустике этот эффект проявляется как изменение частоты звуковых колебаний, которые регистрирует наблюдатель при приближении или удалении источника звука. Явление Доплера характерно и для электромагнитных волн.

Фотоны, которые упали на молекулы и рассеялись, изменяют частоту. Так как хаотическое движение молекул происходит с разными скоростями и во всех направлениях, в рассеянном излучении наблюдается целый спектр частот - происходит доплеровское уширение линии излучения лазера. Такое явление использовалось ранее, например, для определения температуры верхних слоев атмосферы по линиям излучения полярных сияний (скорость молекул зависит от температуры). А аэрозоли испытывают направленное движение - возникает доплеровский сдвиг частоты. Этот эффект используется, в частности, астрофизиками для определения скорости разлетающихся галактик.

Интенсивность процесса поглощения находят по величине поперечного сечения поглощения одной молекулой, а произведение этой величины на число молекул в единице объема есть показатель поглощения данной среды. Аналогично эффективность рассеяния определяется величиной показателя рассеяния. Сумма показателей поглощения и рассеяния есть показатель ослабления средой данного излучения; ослабление происходит по закону Бугера (см. словарик к статье).

И последнее. Процессы рассеяния характеризуются индикатрисой рассеяния - безразмерной величиной, показывающей, какая часть фотонов отклоняется от первоначального направления движения на тот или иной угол после взаимодействия с молекулами или аэрозолями. Очень важно, что небольшая часть фотонов (при молекулярном рассеянии 12%, при аэрозольном - около 3%) все-таки, испытав рассеяние, направляется обратно к лазеру. А это позволяет поставить рядом с ним приемник фотонов, то есть осуществить локационный принцип измерений, создать лазерный локатор - лидар.

Этот прибор по принципиальному устройству аналогичен радиолокатору (радару), а назван по аббревиатуре английских слов Light Detection and Ranging - "свет детектирует и измеряет расстояние".

В приемной системе лидара используется приемная оптическая антенна (объектив, телескоп и т. п.), в фокусе которой расположен фотоприемник (обычно фотоэлектронный умножитель - ФЭУ). Приходящие "назад" фотоны собираются оптической антенной, на фотокатоде ФЭУ преобразуются в фотоэлектроны, возникающий электрический ток усиливается и поступает на регистрирующее устройство. Самое простое из них, которое, правда, уже давно не применяется, - осциллограф, но для объяснения работы лидара воспользуемся этим наглядным прибором. Луч осциллографа начинает движение по экрану в момент излучения в атмосферу лазерного импульса. Развертка осциллографа калибруется в единицах времени, а так как скорость движения лазерного зонда известна (скорость света), то каждая точка на луче осциллографа определяет расстояние от лидара.

Но вот луч лазера встретил на своем пути облако или слой аэрозолей. Рассеяние фотонов резко увеличилось, большее их количество возвращается назад к приемной оптической антенне, возрастает фототок, и на экране осциллографа появляется импульс, обусловленный сигналом обратного рассеяния. На участках трассы bc и de облаков нет, аэрозолей мало и величина сигнала уменьшается.

Конечно, прибор, поясняющий работу лидара, и, скажем, лидар для измерений стратосферного озона похожи не более, чем грозоотметчик Попова на современный радиоприемник. Оптические передающие антенны, сужающие лазерный луч, различные спектральные приборы, позволяющие анализировать принятое излучение, специальные системы приема (при слабых сигналах - в режиме счета отдельных фотонов) и отображения уже геофизической информации - далеко не полный перечень всех блоков современных лидаров.

Заметим, что лазерный зонд в отличие от метеорологических ракет или шаров-пилотов "поднимается" практически мгновенно и дает сведения по всей трассе измерений во много раз быстрее, чем изменяется состояние атмосферы.

Самым неприятным обстоятельством при лазерном зондировании оказывается плотная облачность. Ослабление лазерного излучения в ней огромно, и с поверхности Земли уже нельзя получить сведения о состоянии атмосферы выше облаков. Выход один - зондировать атмосферу с космических аппаратов.

Лидар аналогичен радару не только по принципиальному устройству. На экране радара оператор видит отражение радиоимпульса от цели, определяет дальность до нее, скорость ее полета. По характеристикам отраженного сигнала можно судить о размерах цели, отличить легкий спортивный самолет от большого лайнера, но определить, скажем, химический состав крыла самолета невозможно. На экране лидара сигнал от самолета или ракеты аналогичен сигналу, наблюдаемому на радаре. При зондировании атмосферы принципиальное различие, кроме диапазона используемых длин волн, состоит в том, что наблюдается сигнал обратного рассеяния, а не отражения. Лазерный зонд, стремительно движущийся по трассе, непрерывно посылает часть рассеянных фотонов из разных слоев атмосферы на своем пути. Конечно, по интенсивности сигнала можно судить, например, о мощности аэрозольных слоев или оптической плотности облака, измерять их высоту, а для неплотных облаков - и толщину.

Специалиста-геофизика интересует - из капелек или кристалликов состоит облако, сколько их в единице объема, какова концентрация аэрозолей в наблюдаемом слое, температура, плотность, химический состав атмосферы и многое другое. Иными словами, от величины сигнала обратного рассеяния необходимо перейти к физическим характеристикам атмосферы. Это весьма сложная проблема сразу же привлекла внимание физиков-теоретиков. Поэтому неудивительно, что в первые же десятилетия лазерного изучения атмосферы создавались и совершенствовались сложные теории, позволяющие по величине принятого сигнала определять различные характеристики атмосферы.

Одновременно появились лидарные методы дистанционного измерения прозрачности приземного слоя воздуха (ранее для этого использовались источники света и приемники, стоящие в противоположных концах оптического пути). Лидары позволяют проводить измерения на любых трассах, причем с высоким пространственным разрешением, что особенно важно для аэродромных служб.

Лидарные измерения концентраций аэрозолей и малых газовых примесей, загрязняющих воздушный бассейн промышленных центров, - еще одно быстро развивающееся направление контроля нижней тропосферы. Они позволяли обойтись без использования контактных датчиков, работавших в основном только в пределах десятков метров от земной поверхности (если прибор, скажем, установлен на крыше высокого здания), и дистанционно определять стратификацию, пространственную протяженность, динамику развития, распространение и распределение аэрозольных слоев техногенного происхождения, оценивать концентрацию аэрозолей.

В 1967 году была опубликована первая работа о попытке лазерных измерений концентрации газов в тропосфере с помощью спонтанного комбинационного рассеяния (СКР). Поперечное сечение СКР одной молекулы известно (вычислено; измерено в лабораториях), а сигнал обратного рассеяния определяется его произведением на содержание молекул в единице объема воздуха. Каждый газ из-за различной частоты внутримолекулярных колебаний характеризуется своими частотами комбинационного рассеяния, сдвинутыми от основной частоты падающего лазерного излучения. Поэтому в спектре рассеянного излучения наблюдаются две системы линий, лежащих симметрично по обе стороны частоты возбуждения. Длинноволновая линия значительно интенсивнее коротковолновой, которую для измерений обычно не используют. Так, если в атмосферу излучен импульс лазером на рубине (длина волны излучения 694,3 нм), то сигнал от молекул N₂ поступит на длине волны 828,3 нм, от О₂ - 778,4 нм, от N₂О - 758,8 нм.

Поставив в приемную систему лидара перед ФЭУ узкополосные оптические фильтры, монохроматор или другие оптические приборы, можно измерить величину сигнала на выбранной длине волны и определить концентрацию того или иного газа. Причем определить в любом объеме по трассе зондирования: в шлейфе заводской трубы, на автостраде, над кратером вулкана. Поперечные сечения СКР невелики, но возрастают с переходом в коротковол новую часть спектра. Дальнейшие исследования позволили измерить концентрацию многих газовых примесей, составить "карты" загрязняющих воздух газов в промышленных центрах. Метод СКР позволяет измерить единицы - десятки молекул загрязняющего атмосферу газа на миллион молекул воздуха.

Значительно большей чувствительностью обладает метод дифференциального поглощения (ДП), основанный на сравнении сигналов обратного рассеяния в области сильного и слабого поглощения газом.

Представим, что в атмосферу посылаются импульсы от лазера, генерирующего ультрафио летовое излучение на длинах волн 308 и 353 нанометра. Излучение на первой длине волны будет поглощаться молекулами озона более чем в тысячу раз сильнее по сравнению со второй. Поэтому сигналы их обратного рассеяния окажутся различными. Теоретические методы позволяют, сравнивая величины этих сигналов, найти концентрацию озона на выбранной высоте атмосферы. А анализируя изменение величин сигналов обратного рассеяния с высотой, можно определить и распределение концентрации молекул озона по трассе лазерного луча. И что очень важно, метод дифференциального поглощения позволяет определить уже единицы - десятки молекул газа на триллион молекул воздуха. А так как каждый газ в силу "оригинальности" собственной молекулы имеет различные участки поглощения по шкале длин волн, сейчас проводятся измерения концентрации практически всех малых газовых примесей, присутствующих в воздушном бассейне, в том числе и газов антропогенного происхождения.

Одна из основных задач лидарных наблюдений в стратосфере - контроль стратосферного аэрозоля, находящегося в основном на высоте 15-25 километров. В стратосферу из тропосферы непрерывно попадают различные сернистые соединения, образующие постоянный слой аэрозоля в виде капелек 75%-ного раствора серной кислоты радиусом около 0,03 микрона. Но во время сильных вулканических извержений в стратосферу выбрасывается до 100 миллиардов кубометров твердых частичек и сернистого газа, который при растворении в атмосферной влаге также превращается в капельки серной кислоты. Мощный слой аэрозоля заметно ослабляет солнечное излучение, изменяя температуру тропосферы и стратосферы. Климатологами показано, что в приземном слое воздуха в течение нескольких лет после крупных вулканических извержений температура понижается на 1-2^оС, и это способствует изменению климата и увеличению частоты экстремальных метеорологических явлений.

Не менее интересные результаты получены при лидарных исследованиях слоя атомарного натрия, который попадает в атмосферу в результате распада метеоритов (а затем лития и калия) в верхней атмосфере с использованием эффекта резонансного рассеяния (РР).

Как и любая квантовая система, атом натрия имеет несколько энергетических уровней. Переход с основного на более высокий уровень сопровождается поглощением излучения на длине волны 589 нанометров. Лазерное излучение, имеющее такую длину волны, достигает слоя паров натрия, который постоянно находится на высоте от 80 до 110 километров, и начинает взаимодействовать с атомами. Лазерный фотон поглощается, возбуждая атом; за время около 10^-8 секунды происходит переизлучение на той же длине волны, и атом натрия возвращается в основное состояние. Сигнал обратного рассеяния вызывается практически только наличием атомов натрия.

Результаты этих измерений позволили узнать много нового о так называемых гравитационных волнах в атмосфере (см. словарик к статье), сезонном и широтном распределении слоя паров натрия, суточных изменениях интенсивности метеорных потоков.

Для прогноза погоды необходимы постоянные измерения характеристик атмосферы и в первую очередь - распределения с высотой температуры, влажности, давления, скорости и направления ветра. Для этого примерно в трехстах точках Советского Союза с кораблей погоды, в Арктике и Антарктиде несколько раз в сутки запускались радиозонды - шары-пилоты с приборами, определяющими первые три параметра. Радиолокатор следил за полетом радиозонда (его потолок достигал 25-30 километров), измеряя скорость и направление ветра и принимая сигналы с борта радиозонда о распределении температуры, давления и влажности. Радиозонд - прибор одноразовый, и развитие лазерного зондирования стимулировало разработку методов и лазерной аппаратуры для определения указанных характеристик (их часто называют стандартными).

Используя эффект Доплера, лидарная аппаратура позволяет с поверхности Земли до высоты 15 километров измерять скорость и направление ветра, распределение влажности в тропосфере и нижней атмосфере, температуры до высоты около 100 километров.

Последнее десятилетие ХХ века стало временем регулярных геофизических наблюдений на десятках лидарных станций в разных точках Земли за состоянием стратосферного аэрозоля и озона.

Лазеры ставят на исследовательские самолеты и космические аппараты для нахождения верхней границы облаков, измерения характеристик стратосферного аэрозоля, глобальной циркуляции атмосферы, изучения свойств перистой облачности, которая играет большую роль в поглощении и отражении излучения земной поверхности и, следовательно, во многом определяет погоду и климат.

В последние десятилетия создаются новые лидары на базе современных лазеров. Они не только позволяют повысить точность измерений, но и дают возможность измерять сразу несколько характеристик атмосферы.

Работы по лазерному зондированию атмосферы начали вести в 60-70-е годы XX века молодые отечественные исследователи, чаще всего пришедшие со студенческой скамьи. Техника создавалась буквально на пустом месте: молодые ученые сами разрабатывали лазеры, оптические и радиотехнические устройства, конструировали наземную и самолетную аппаратуру. Это было время ученых-романтиков, мечта которых - удачные новые измерения, интересный доклад или статья о своей работе.

Те, кто видел, как лазерный луч уходит в ночное небо, как тонкая зеленая игла лазера на гранате или темно-красная на рубине пронзает воздушный океан, теряясь в космических далях, навсегда запомнили это фантастическое зрелище. Образ стремительного лазерного луча создается в стихах испанского поэта Федерико Гарсиа Лорки, хотя написаны они не о лазере:

Острая звезда - алмаз,
Глубину небес пронзая,
Вылетела птицей света
Из неволи мирозданья.

Аэрозоли - в геофизике - твердые или жидкие частички, присутствующие в атмосфере: капельки и кристаллики облаков, частички пыли, вулканических извержений и т. д.

Аэрозольное рассеяние - рассеяние света на аэрозолях; величина показателя рассеяния меняется в широких пределах, так как зависит от концентрации аэрозолей в атмосфере. Как правило, в нижней тропосфере показатель аэрозольного рассеяния в сотни - тысячи раз превышает показатель молекулярного рассеяния.

Гравитационные волны - колебания атмосферы с длиной волны 100 метров - 1000 километров и периодом колебаний от 10 минут до 24 часов, природа которых в значительной мере определяется действием силы тяжести.

Закон Бугера - физический закон, согласно которому интенсивность света убывает в поглощающем веществе экспоненциально: I = I₀e^-kl, где I - интенсивность света, прошедшего слой вещества толщиной l с показателем преломления k; I₀ - интенсивность падающего света.

Когерентность - согласованное протекание во времени нескольких колебательных или волновых процессов, при котором разность фаз двух колебаний остается постоянной во времени.

Молекулярное рассеяние - рассеяние света на атмосферных неоднородностях, размер которых сравним с длиной падающего излучения. Такие неоднородности в основном обусловлены флуктуациями плотности воздуха. Показатель молекулярного рассеяния возрастает с частотой света v, как v⁴, что, например, объясняет голубой цвет неба: коротковолновое излучение рассеивается наиболее интенсивно. В честь английского физика Дж. Рэлея, исследовавшего это явление, молекулярное рассеяние часто называют рэлеевским.

Монохроматическое излучение - излучение одной определенной и строго постоянной частоты.

Поляризация света (излучения) - совокупность физических явлений, в которых проявляются свойства поперечности световых волн. Свет называется поляризованным, если в световой волне существует выделенное направление колебаний векторов напряженности электрического поля в плоскости, перпендикулярной направлению распределения волны.

Резонансное рассеяние - физическое явление, заключающееся в том, что в спектре рассеянного света наблюдается интенсивная линия с частотой падающего света. Этот процесс происходит, когда частота падающего света равна частоте переходов между уровнями энергии квантовой системы или близка к ней.

Серебристые облака - самые высокие из облаков планеты. Образуются в области мезопаузы (~80 км), где существует минимум температуры атмосферы (до -130^оС); наблюдаются преимущественно в летние месяцы в высоких широтах обоих полушарий; состоят из кристалликов льда.

Смог - повышенная концентрация аэрозолей и некоторых газовых примесей в приземном слое воздуха. Возникает в воздушном бассейне больших городов, промышленных центров при неблагоприятных метеорологических условиях и фотохимических реакциях.

Спонтанное комбинационное рассеяние (СКР) - физическое явление, заключающееся в том, что в спектре рассеянного света кроме линий с частотой падающего света наблюдаются добавочные линии, частота которых равна сумме (или разности) частот падающего фотона и внутримолекулярных колебаний среды, рассеивающей свет. Процесс СКР открыт индийским физиком У. Раманом и советскими физиками Л. И. Мандельштамом и Г. С. Ландсебергом и сравнительно давно используется для изучения свойств многих веществ.

Стратосферный слой озона - слой повышенной концентрации озона (до 5x10¹⁸ молекул озона в кубическом метре воздуха), постоянно присутствующий на высотах примерно 15-25 километров. Общее число молекул воздуха на этих высотах атмосферы в миллионы раз превышает число молекул озона, но именно озон сильно поглощает жесткое ультрафиолетовое излучение Солнца (максимум полосы поглощения О₃ расположен на длине волны 255 нанометров). Более коротковолновое излучение интенсивно поглощается молекулярным кислородом.

Стратосферные потепления - аномальные потепления воздуха в стратосфере, составляющие десятки градусов. Потепления обусловлены волновыми возмущениями в атмосфере - планетарными, гравитационными и приливными волнами, возникающими из-за термической неоднородности поверхности Земли.

Тропосфера, стратосфера, мезосфера, термосфера - слои атмосферы Земли, выделенные по признаку вертикального распределения температуры атмосферы. Тропосфера простирается от поверхности Земли примерно до 10 километров, стратосфера - 10-50, мезосфера - 50-85, термосфера - выше примерно 85 километров. Возможно и другое деление атмосферы на слои, например по вертикальному распределению заряженных частиц ионов и электронов, - различные слои ионосферы.

Фотоэлектронный умножитель - прибор для преобразования светового излучения в электрический ток и его последующего усиления. Работа прибора основана на явлении внешнего фотоэффекта - испускании электронов с поверхности вещества под действием падающих квантов света.