Файл: Зуев, В. Е. Лазер-метеоролог.pdf

Проблема прогнозов погоды, имеющая огромное практическое значение, несомненно, является одной из важнейших проблем века.

Усилиями многих коллективов ученых решение проб­ лемы прогнозов погоды за последнее десятилетие заметно продвинулось вперед. Этому существенно способствовало как развитие математических теорий прогнозов и усо­ вершенствование методов исследования атмосферы, так и использование современных быстродействующих элек­ тронных вычислительных машин (ЭВМ). Однако на пути дальнейшего успешного ее решения стоят большие труд­ ности, которые еще предстоит преодолеть.

Теперь хорошо известно, что погода и климат опре­ деляются различными процессами, протекающими во всей толще атмосферы Земли. Нетрудно понять поэтому, что для достоверного предсказания поведения атмо­ сферы необходимо знать ее характеристики на различ­ ных высотах, в различных районах и в различные мо­ менты времени. Бессмысленно рассчитывать на успех прогнозов атмосферных явлений, если мы не будем знать их в каждый данный момент времени.

К наиболее важным характеристикам атмосферы, определяющим процессы погодообразоваипя, относятся давление, температура, ветер, влажность, концентрация углекислого газа и озона, размеры и концентрация ча­ стиц атмосферных аэрозолей (облаков, туманов, дымок идр.).

Огромная армия метеорологов мира несколько раз в сутки одновременно проводит десятки тысяч измере­ ний таких характеристик атмосферы (метеоэлементов), как давление, температура, скорость и направление

ветра, влажность. Однако получаемых данных далеко не достаточно для успешного решения проблемы прогнозов погоды. Такое положение, с одной стороны, объясняется тем, что подавляющее большинство этих измерений проводится у поверхности земли, над сушей, которая, как известно, занимает меньше Vs поверхности планеты, при­ том измеряются не все характеристики атмосферы, с дру­ гой стороны, существующие методы измерения на высо­ тах не могут обеспечить достаточного количества данных. Так, при использовании наиболее распространенного ме­ тода зондирования атмосферы с помощью радиозондов (приборы, измеряющие и передающие по радио дан­ ные о давлении, температуре и влажности, подвеши­ ваются к наполненному водородом шару) максимальная высота подъема не превышает 30—40 км. Полетом ра­ диозонда управляет ветер, что позволяет с достаточно высокой точностью определять скорость и направление последнего, однако при этом исключается возможность оперативного определения атмосферных параметров в заранее заданном направлении. Следует также отме­ тить, что получаемые при радиозондировании данные о влажности на высотах, превышающих 10—15 км, имеют очень большие ошибки.

При самолетном зондировании атмосферы измерения проводятся в заранее заданных районах, однако макси­ мальная высота полета не превышает потолка радиозон­ дирования. Наконец, запуски метеорологических ракет позволяют проводить измерения ряда метеопараметров вплоть до высот полета искусственных спутников Земли. Однако они слишком дороги, чтобы можно было их сде­ лать достаточно частыми, да еще в разных районах Земли. Кроме того, как самолетные, так и ракетные из­ мерения проводятся не в спокойной, а в сильно возму­ щенной атмосфере. Полученные данные требуют серьез­ ной корректировки, которую не всегда можно сделать с достаточной точностью.

Совершенно ясно, что дальнейший прогресс в позна­ нии м предсказании атмосферных явлений в любых масштабах будет сдерживаться из-за неспособности существующих прямых методов измерений метеорологи­ ческих параметров обеспечить получение данных с достаточной пространственной и временной плот­ ностью.

4

Получение исходных данных, необходимых для со­ ставления прогнозов погоды, настоятельно требует разработки новых методов исследования атмосферы. Ясно, что любой из новых методов прежде всего должен быть дистанционным, т. е. он должен давать информацию об измеряемых параметрах на различных расстояниях от используемого прибора. В самом деле, потолок зон­ дирования, который может удовлетворить потребность практики, должен быть доведен до высот порядка 100 км, при расстоянии между зондирующими пунктами по край­ ней мере порядка нескольких сотен километров. Это зна­ чит, что просто технически невозможно получить инфор­ мацию при использовании методов непосредственного одновременного измерения тех или иных параметров атмосферы на всех требуемых широтах, долготах и высотах.

Так, если считать, что станции находятся на рас­ стояниях друг от друга 300 км, то для того, чтобы равно­ мерно покрыть ими всю планету, включая океаны, не­ обходимо иметь примерно 1 млн. станций. Следует учесть, что каждая станция одновременно должна про­ водить измерения по крайней мере на 10 высотах, при­ том сразу должна определять несколько параметров атмосферы (как минимум температуры, давления, ско­ рости и направления ветра, влажности). Итак, необ­ ходимый массив одновременно получаемой информации о параметрах атмосферы должен содержать десятки миллионов значений.

В настоящее время одновременно разрабатывается ряд методов дистанционного зондирования различных параметров атмосферы: 1) радиолокационный, 2) лазер­ ный, 3) акустический и 4) методы, основанные на изме­ рении спектрального состава уходящего в космос тепло­ вого излучения. Каждый из названных методов имеет свои преимущества и недостатки. Поэтому развитие всех методов вместе взятых, по-видимому, обеспечит наиболь­ ший успех в решении проблемы получения исходных данных о параметрах атмосферы.

Тем не менее хотелось бы подчеркнуть особое значе­ ние метода лазерного зондирования. Перспективность этого метода связана с тем, что при распространения в атмосфере электромагнитного излучения оптического диапазона, в том числе излучения лазеров, наблюдается

5

наибольшее количество явлений взаимодействия волны с атмосферой как средой. К числу этих явлений отно­ сится: поглощение и рассеяние излучения атомами и молекулами атмосферных газов; рассеяние на частицах атмосферных аэрозолей, таких, как облака, туманы, дымки, осадки, пыль, дым и др.; резонансное и комбина­ ционное рассеяние атомов и молекул атмосферных газов; искажения оптических сигналов, вызванные турбулент­ ностью атмосферы; смещения частоты излучения, обус­ ловленные тепловым движением молекул воздуха и вет­ ровым движением аэрозолей.

В дальнейшем мы рассмотрим каждое из названных явлений, которые, как правило, с максимальной интен­ сивностью проявляются именно в оптическом диапазоне волн и, в частности, при использовании лазерных источ­ ников излучения.

Идея метода лазерного зондирования атмосферы до­ вольно проста [1]. Распространяясь в атмосфере, импульс лазерного излучения взаимодействует с последней, остав­ ляя за собой след или в виде света, рассеянного по опре­ деленному закону во все стороны молекулами, части­ цами, неоднородностями, или в виде потерянной энергии вследствие ее поглощения, или в виде поглощенной ато­ мами и молекулами и тут же обратно излученной ими световой энергии, или в виде измененной частоты излу­ чения, в одном случае за счет известного эффекта Доп­ плера (поглощающие и рассеивающие свет атомы, моле­ кулы и частицы находятся в непрерывном движении в атмосфере), в другом случае вследствие эффекта ком­ бинационного рассеяния света. Кроме указанных эффек­ тов взаимодействия светового лазерного импульса

сатмосферными образованиями, можно еще назвать из­ менение формы импульса и состояния его поляризации при распространении в молекулярной и аэрозольной атмосфере.

Регистрируя следы лазерного импульса в атмосфере

спомощью высокочувствительных приемников, например фотоэлектронных умножителей (ФЭУ), и расшифровы­ вая результаты записи по определенным правилам, можно получить количественные и качественные данные о том или ином параметре атмосферы. Используя все известные к настоящему времени эффекты взаимодей­ ствия светового импульса с атмосферой, вообще говоря,

6

можно при лазерном зондировании атмосферы извлекать информацию о всех параметрах атмосферы, как влияю­ щих на процессы погодообразования, так и не имеющих существенного значения для проблемы прогнозов погоды, но важных для решения других проблем.

В принципе при лазерном зондировании атмосферы можно получать данные о давлении, плотности, темпера туре, влажности, концентрации всех атмосферных газов, ветре, турбулентных неоднородностях, верхней и нижней границе облаков, их водности, стратификации аэрозоль­ ных слоев, концентрации и спектрах размеров частиц всех атмосферных аэрозолей.

Гигантская мощность лазерных импульсов вместе

счрезвычайно высокой монохроматичностью и направ­ ленностью, когерентностью и поляризованностыо, воз­ можностью изменения длины волны и длительности импульса излучения обусловливают существенные пре­ имущества лазерного атмосферного зонда по сравнению

сдругими методами исследования атмосферы. Используемые в настоящее время при зондировании

атмосферы твердотельные лазеры способны излучать све­ товые импульсы в видимой и близкой инфракрасной областях спектра длительностью в несколько десятков наносекунд, мощностью в десятки и сотни миллионов ватт, при угле расходимости излучения в несколько ми­ нут. При таких параметрах освещенный импульсом на расстоянии от источника 10 км объем атмосферы пред­ ставляет собой цилиндр высотой и диаметром порядка 10 м. При дальнейшем увеличении расстояния высота этого цилиндра не будет меняться, так как она опреде­ ляется длительностью импульса, а диаметр возрастает пропорционально расстоянию.

показывают, что при использовании импульса рубино­ вого лазера с энергией 1 Дж (например, при мощности. 50 МВт и длительности 20 нс), площади приемного зер­ кала 1 м3, высокочувствительного ФЭУ, охлаждаемого до температуры —50° С, узкополосного интерференцион­ ного фильтра (например, с шириной полосы 10 А, или 0,001 мкм, максимумом пропускания 50%), отсекающего значительную часть помех атмосферного происхождения

7

(засветки от посторонних источников излучения, соб­ ственное излучение атмосферы и др.), можно получить непрерывный отраженный сигнал за счет рассеяния на молекулах воздуха до высоты порядка 30 км. При зон­ дировании на больших высотах необходимо использовать серии импульсов, чтобы накопить отраженную энергию и уверенно ее измерить.

Импульс длительностью 10 нс, распространяясь в атмосфере со скоростью света, занимает расстояние всего в 3 м. По известному принципу радиолокации это значит, что в приемное устройство локатора одновремен­ но будут приходить фотоны из области протяженностью 1,5 м. И если бы наше приемное устройство совсем не искажало принимаемые мгновенные значения эхо-сигна­ лов лазерных импульсов, то мы бы имели пространствен­ ное разрешение результатов зондирования, равное 1,5 м. Для существующих методов зондирования атмосферы — это фантастическое разрешение. А ведь длительность лазерного импульса в настоящее время ученые сумели довести до пикосекунд и даже до долей пикосекунды. При такой длительности протяженность импульса в про­ странстве равна уже долям миллиметра.

При лазерном зондировании атмосферы можно опре­ делить значение того или иного метеопараметра не в от­ дельной точке или локализованном объеме, а по всему ходу луча, т. е. практически иметь непрерывную кривую данных в заданном направлении распространения

'импульса. При этом распространение импульса задает сам исследователь.

Современная лазерная техника может дать в руки исследователей достаточно мощные лазеры [2], частоты следования импульсов которых достигают десятков, со­ тен и тысяч импульсов в секунду. Понятно, что с по­ мощью таких лазеров окажется возможным изучение динамики чрезвычайно быстро протекающих атмосфер­

ных явлений.

I" Очень важно, что данные лазерного зондирования получаются практически мгновенно, поскольку импульс распространяется со скоростью света. Если для обра­ ботки результатов 'зондирования использовать быстро­ действующие ЭВМ, информация на которые будет по­ ступать непосредственно с лазерного локатора, тогда время получения соответствующих данных будет опреде­

6

ляться быстродействием машины, точнее, быстродействи­ ем ее печатного или графопостроительного аппаратов. , При лазерном зондировании не происходит суще­ ственного возмущения атмосферы импульсом, как это

имеет место при самолетном и ракетном зондировании. Очень перспективно использование лазеров для зон­

дирования атмосферы и подстилающей поверхности суши и океана с орбитальных космических станций. Про­ веденные автором и его сотрудниками расчеты указали на возможность зондирования стратификации аэрозоль­ ных слоев и плотности атмосферы примерно на высотах от 100 км и до поверхности Земли с борта орбитальной космической станции, находящейся на высоте 300 км, в случае, когда на пути импульса нет облачных слоев [3]. При этом в обозримом будущем можно ожидать полу­ чения непрерывных эхо-сигналов отдельных импульсов излучения для нижнего 100-километрового слоя атмо­ сферы. При наличии облачности ее верхняя граница мо­ жет быть определена с орбитальной станции с исключи­ тельно высокой точностью. Кроме того, изучая отражен­ ный от облака импульс, можно определить плотность облака и даже концентрацию и размеры частиц. Уста­ новленные на орбитальных станциях лазерные локаторы позволят с большой точностью (до десятков сантимет­ ров) определять абсолютные высоты различных точек по­ верхности земли. Весьма заманчиво использование лазе­ ров на орбитальных станциях для детального исследова­ ния серебристых облаков, хранящих в себе много непоз­ нанных тайн.

Возможно, что с помощью установленного на борту орбитальной станции лазерного локатора удастся с вы­ соты 300 км при безоблачной атмосфере измерять про­ зрачность различных водных бассейнов. Большие пер­ спективы использования лазеров для зондирования атмосферы и подстилающей поверхности планеты с ор­ битальных станций связаны, конечно, с тем, что с по­ мощью прибора можно производить измерения над лю­ быми районами суши и океана и получать необходимые для решения проблемы прогноза погоды массивы данных

охарактеристиках атмосферы.

Внастоящее время созданы и успешно применяются лазерные локаторы для зондирования атмосферы, кото­ рые принято называть лидарами.

9