ТРУДНЫЙ ПУТЬ К НЕБУ:
ОТ АННАЛОВ
ДО СЕТЕВЫХ НАБЛЮДЕНИЙ
Восьмая по счету премия имени академика В. А. Коптюга присуждена ученым Минска и Томска.
Петр Каминский, Томск.
Премия имени выдающегося ученого, вице-президента РАН, председателя Сибирского отделения, иностранного члена НАН Беларуси была учреждена в 1999 году для поощрения ученых двух стран за выдающиеся результаты в совместных исследованиях. На этот раз Президиум Национальной академии наук Беларуси присудил эту высокую награду коллективу авторов из Института физики им. Б.И. Степанова НАНБ
(В. А. Горобцу, А. П. Иванову, В. П. Кабашникову, В. О. Петухову, А. П. Чайковскому), Института оптики атмосферы СО РАН (Ю. С. Балину, В. В. Зуеву) и Института мониторинга климатических и экологических систем СО РАН (Ю. М. Андрееву, М. В. Кабанову, А. А. Тихомирову) — за цикл работ «Создание лидарных методов, технологий и систем дистанционного мониторинга атмосферы для лидарной сети в странах СНГ (CIS-LiNet)».
 |
Коллективное фото томских лауреатов премии имени В. А. Коптюга (Ю. С. Балин, М. В. Кабанов, А. А. Тихомиров, В. В. Зуев, Ю. М. Андреев).
|
Всякому признанию, тем более такому значительному, всегда предшествуют долгие годы работы коллективов увлеченных своим делом людей. Такое признание подводит определенные итоги пройденному пути. А путь позади — немалый. Можно сказать, что для томских ученых он начался с того самого момента, когда в конце 1950-х годов оптики Сибирского физико-технического института ТГУ сформулировали основы комплексного исследования распространения оптических волн в атмосфере, в том числе путем получения данных о распространении излучения различных лазерных источников.
 |
| М.В. Кабанов и А.П. Иванов из Белоруссии.
|
— С возникновением лазеров в начале 1960-х годов многие научные коллективы занялись распространением лазерного излучения в различных средах. Среди них был Институт физики в Минске и лаборатория инфракрасных излучений под руководством В. Е. Зуева в СФТИ. На ее основе в 1969 году в Томске был создан академический Институт оптики атмосферы, — рассказывает лауреат премии член-корр. РАН М. В. Кабанов, один из первых учеников Владимира Евсеевича, пришедших в организованный им студенческий научный кружок физфака ТГУ.
По словам Михаила Всеволодовича, к началу 1970-х годов, когда организовывался ИОА СО АН СССР, основы теории распространения лазерного излучения в атмосфере были практически подготовлены, что позволило решать обратные задачи, в частности, заниматься лазерным зондированием атмосферы. Институт физики и Институт оптики атмосферы были двумя научными центрами, которые практически одновременно приступили к таким экспериментам. Достаточно сказать, что первые в СССР лидары (лазерные локаторы) были созданы именно в лабораториях этих двух институтов.
Разработка лидаров и методов лазерного зондирования атмосферы для Института оптики атмосферы, который стремительно рос, расширяя экспериментальную базу и кадровый состав, были одним из ключевых и, безусловно, самых мощных направлений. Поэтому институт очень быстро достиг мирового уровня исследований и даже превзошел его. Признание этого уровня красноречиво засвидетельствовал, например, прошедший в июле 1990 года первый в СССР XV Международный симпозиум по лазерному зондированию, собравший в закрытом в ту пору Томске рекордное число иностранных участников — 150 человек.
Достигнутые успехи стали возможными благодаря развитию элементной и приборной базы. В Минске действовал СКТБ Института физики и оптико-механический завод, а в Томске в 1972 году при Институте оптики атмосферы было открыто Специальное конструкторское бюро научного приборостроения «Оптика» (ныне Институт мониторинга климатических и экологических систем СО РАН). Как было записано в постановлении Президиума СО АН СССР, «...в целях дальнейшего развития работ в области создания комплексов аппаратуры для дистанционного оперативного определения параметров атмосферы, с использованием лазерных источников». В СКБ «Оптика» были созданы технологические циклы разработки и изготовления самых сложных технических систем основных блоков лидаров (оптика, электроника, средства автоматизации).
Создание новых методов и технологий зондирования, в котором сначала использовались одноволновые методы, требовало постоянного совершенствования элементной базы, перестройки частоты лазеров на разные длины волн, позволяющие осуществлять спектральное лазерное зондирование, особенно в инфракрасной области спектра. На этапе создания новых лазерных источников ИК излучения технология производства нелинейных кристаллов была передана из СФТИ, возглавляемого в то время М. В. Кабановым, в ИОА и СКБ «Оптика». Развитием переданной технологии было поручено заниматься член-корр. РАН В. В. Зуеву и д.ф.-м.н. Ю. М. Андрееву.
 |
| Ю.М. Андреев.
|
— Первая статья по созданию перестраиваемого источника излучения методами нелинейной кристаллооптики была опубликована в 1982 году, — рассказывает д.ф.-м.н., в.н.с. ИМКЭС СО РАН Юрий Андреев. — Эти работы очень скоро стали массовыми. Развитие новой технологии производства нелинейных кристаллов дало значительный толчок в создании эффективных ИК лазерных источников. Не обошлось и без очень громких результатов. Например, была продемонстрирована самая высокая генерация излучения среднего ИК диапазона, рекорд которой свыше 80 % держится вот уже более 20 лет.
Разработанные в Томске нелинейные кристаллы позволили произвести преобразование частоты лазеров в те участки спектра, которые не были освоены никем, в том числе Институтом физики в Минске, где под руководством академика Б. И. Степанова были разработаны перестраиваемые лазеры на красителях.
— Их газовые лазеры были мощными, но работали лишь в узких спектральных диапазонах, — продолжает Юрий Михайлович. — Когда ученые Томска и Минска объединили усилия, удалось добиться самых впечатляющих результатов. При помощи нелинейных кристаллов удалось реализовать самые неординарные идеи. Например, внутрирезонаторные преобразователи, использующие выходное зеркало в качестве преобразователя частоты. Институт физики поставлял лазеры, которые применялись при создании лидаров. В настоящее время между Институтом физики и Институтом мониторинга климатических и экологических систем действует долговременный договор. Наше сотрудничество продолжается, и мы работаем над созданием лидаров, способных работать уже в терагерцевом диапазоне.
 |
| А.А. Тихомиров.
|
Таким образом, в 1980-е годы сложилось эффективное разделение научного труда между коллективами, когда СКБ НП «Оптика» отвечало за технику и элементы этой сложной техники, а Институт оптики атмосферы — за методики и реализацию.
Лихие девяностые не лучшим образом сказались на этих работах — сокращение финансирования, отток людей из лабораторий, атмосфера нестабильности и неопределенности... На протяжении нескольких лет, 1989-1992 гг., институту пришлось буквально выживать, а затем еще несколько лет адаптироваться, осваивая новые правила жизни — вся российская наука прошла через эти испытания. Пик бурного развития лидарного зондирования атмосферы остался в 1980-х годах. Экономические реалии нового времени заставили скорректировать направление усилий — проблемы лазерного зондирования перешли в плоскость практических задач.
 |
| В.В. Зуев за работой.
|
— Дело в том, что лидары для лазерного зондирования атмосферы — очень дорогие, а вопрос об их удешевлении заманчив, но трудно решаем, — отмечает заведующий лабораторией дистанционной спектроскопии атмосферы ИОА СО РАН член-корр. РАН Владимир Зуев. — В основе лидара находится лазер, недешевый по определению. Поэтому вопрос теперь стоял следующим образом: либо это должна быть мобильная, оптимальная по цене система, позволяющая решать определенные задачи, либо действительно дорогая, но используемая в больших исследовательских проектах, например, в составе стационарных сетей наблюдения.
О перспективности последнего пути свидетельствовал опыт западных стран, которые, понимая те возможности, которые предоставляет лазерное зондирование атмосферы, и не испытав в 1990-е годы экономического коллапса, приступили к организации лидарных сетей. Для исследования озона и аэрозоля в стратосфере создана всемирная сеть обнаружения стратосферных изменений (NDSC), в перечень инструментов которой включены лидарные станции. Для мониторинга тропосферного аэрозоля формируются региональные лидарные сети. В 2000 г. создана европейская сеть EARLINET, обеспечивающая координирование работы 22 лидарных станций с целью мониторинга крупномасштабного переноса аэрозоля в регионы Европы и исследования влияния аэрозольного фактора на климат и экологические условия. Лидарные исследования выноса пыли из пустыни Гоби в регионы Тихого океана выполняются в рамках азиатской сети AD-Net. К этим международным усилиям и присоединились ученые Минска и Томска. Они вышли с предложением к Международному научно-техническому центру об организации на территории стран бывшего СССР лидарной сети, получившей название «CISLiNet» («Лидарная сеть стран СНГ»), которая позволит связать европейскую и азиатскую сети в единое целое. Проект МНТЦ «Мониторинг атмосферного аэрозоля и озона в регионах СНГ посредством сети лидарных станций (CIS-LiNet)» стал одним из самых крупных международных проектов ИОА СО РАН, который включился в эту работу, можно сказать, органически, имея уникальный экспериментально-исследовательский комплекс «Сибирская лидарная станция», одновременно обеспечивающий получение профилей озона, аэрозолей и ряда других активных компонентов озоновых циклов.
Работы по лазерному зондированию атмосферы в рамках лидарной сети «CISLiNet» в ИОА разбиваются на два взаимосвязанных блока — зондирование стратосферы и тропосферы.
— Исследования последних лет привели к общепризнанному выводу о том, что атмосферный аэрозоль и его взаимодействие с облачностью принадлежит к числу ключевых климатообразующих факторов, — говорит к.ф.-м.н., в.н.с. ИОА СО РАН Юрий Балин. — Достаточно сказать, что процессы взаимодействия в системе «аэрозоль-облако-радиация», определяющие косвенное воздействие аэрозоля на климат, до сих пор остаются слабо изученными в экспериментальном плане. В ИОА было создано целое семейство тропосферных лидаров «ЛОЗА», последняя модификация которых «ЛОЗА-3М» позволяет исследовать закономерности внутрисуточной трансформации атмосферного аэрозоля, включая его поляризационные характеристики.
— Наиболее полно сетевые возможности лидаров используются в исследованиях стратосферных изменений — на высотах свыше 10 тыс. метров, — продолжает Владимир Зуев. — Масштабы процессов, происходящих в стратосфере, гораздо шире, чем у поверхности Земли, где динамика атмосферных процессов локальна. Масштабы стратосферной однородности охватывают диапазоны от нескольких сотен до нескольких тысяч километров. Это означает, что если мы устанавливаем элементы сети хотя бы через тысячу километров друг от друга, то можем в полевом режиме получить полную информацию об изменении параметров стратосферы. И станций наблюдения при этом не должно быть много.
В первую очередь, при помощи лидарной сети можно наблюдать за состоянием озонового слоя планеты, более 85 % которого находится именно в стратосфере. Детальные наблюдения за состоянием и поведением озонового слоя — колоссально важная задача, особенно остро поставленная в 1980-е годы, когда в глобальном масштабе наблюдалась тенденция к его разрушению. «Озоновые дыры» стали самой важной экологической проблемой, проблемой всей мировой цивилизации.
«Фреоновый» след в разрушении озонового слоя планеты не подтвердился, концентрация озона начала восстанавливаться, что дало основания ученым утверждать естественный характер этих процессов. Лидарные и биоиндикационные исследования озоносферы, проведенные в лаборатории дистанционной спектроскопии атмосферы ИОА СО РАН, показали, что произошедшие в последней четверти XX века значительные изменения в стратосферном озоновом слое, так взволновавшие человечество, определялись, главным образом, влиянием вулканических извержений с забросом продуктов извержения в стратосферу.
Но и без этого наблюдения за стратосферным озоном позволяют понять существо многих процессов, происходящих в живом мире. Колебания озоносферы, подчеркивает Владимир Зуев, во многом определяют состояние биосферы. Например, прослеживается влияние солнечного ультрафиолета на частоту инфарктов миокарда, не говоря уже о влиянии ультрафиолета на эмиссию парниковых газов и, в конечном итоге, на изменения климата. Этой проблемой во всем мире занимаются при помощи лидаров.
— Озоновый слой — невероятно тонкий, — говорит Владимир Владимирович. — Если весь его собрать над поверхностью Земли, то его толщина будет составлять всего три десятых сантиметра. Несмотря на мизерность своего содержания в атмосфере, именно озон фактически делает возможной жизнь на Земле, выступая щитом от жесткой части ультрафиолетовой радиации. Известно, что жизнь зарождалась в глубинах океана, недоступных для солнечной радиации, и освоение суши живыми организмами началось только тогда, когда возник озоновый слой — появилась та биосфера, которая существует в настоящее время.
В организации новой сети был задействован целый ряд научных организаций: Институт прикладной метеорологии в Москве, Институт Тихого океана во Владивостоке, обсерватория на Иссык-Куле, Сургутский университет. По словам Владимира Зуева, организация сети в составе пяти станций наблюдения потребовала решения новых методологических задач:
— Одна из основных проблем сетевых наблюдений — достижение их однородности, однотипности. В силу нашей относительной бедности, в разных точках наблюдения поначалу стояли разные элементы: разные лазеры, разные приемные и регистрирующие системы. И, аналогично, использовались разные методы обработки информации. Все это и нужно было унифицировать, чтобы параметры атмосферы, зафиксированные в Минске, Томске, Владивостоке и других местах, можно было интерпретировать адекватно.
Научные коллективы разделили сферу ответственности. Институт физики в Минске взял на себя унификацию материальной базы. На всех точках наблюдения были установлены их портативные твердотельные лазеры, созданы и внедрены однотипные системы регистрации данных. Институт оптики атмосферы СО РАН занялся унификацией методов зондирования и обработки данных.
— Конечно, работы в этом направлении еще не закончены, но они уже доведены до определенного уровня, — отмечает Владимир Владимирович и особо подчеркивает, — это лишь прообраз будущей сети, так как работающие отдельные точки наблюдения не позволяют решать глобальных вопросов мониторинга атмосферы. Но это первый, конечно, трудный, но очень важный шаг.
Унифицировав приборную базу и методики, ученые приблизились вплотную к организации полноценной сети на территории стран СНГ, позволяющей получать полную картину происходящего на разных уровнях атмосферы. Для этого теперь требуется лишь соответствующее финансирование.
— Финансирование должно идти как минимум на государственном уровне, поскольку мониторинг атмосферы — это не узконаучная проблема, а проблема общегосударственного, общенационального масштаба, — без преувеличения утверждает Владимир Зуев. Дальнейшие работы предполагается вести в рамках Федеральной целевой программы мониторинга состава и состояния атмосферы, реализуемой под эгидой Росгидромета.
Фото Владимира Бобрецова.
стр. 4-5
|
