ЛАЗЕР ИССЛЕДУЕТ АТМОСФЕРУ

Наука. Дальний поиск

Лазер исследует атмосферу

Почти сто лет назад в нашей стране начались первые работы по измерению плотности облаков оптическим методом - с помощью луча прожектора. Сегодня оптическое зондирование стало одним из самых надежных и точных методов исследования атмосферы. Лазерный луч способен обнаружить несколько молекул посторонних примесей в триллионе молекул воздуха на высоте десятки километров.

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.