Зеленый луч в небе: как томские ученые исследуют атмосферу

Определить состав воздуха, обнаружить нефтяные пленки на поверхности океана и распознать взрывчатое вещество. Узнать, как составляющие атмосферы влияют на климат Земли, и о чем могут рассказать результаты исследований распространения оптического излучения в атмосфере. Эти вопросы изучают в Институте оптики атмосферы им.ени В.Е. Зуева Сибирского отделения Российской академии наук, ведущем научном учреждении в области атмосферно-оптических исследований. 

Коллектив Института формировался на базе лаборатории инфракрасных излучений Сибирского физико-технического института при ТГУ, руководимой будущим академиком Владимиром Евсеевичем Зуевым. Лаборатория занималась, в частности, решением важной правительственной задачи – изучением эффективности работы теплопеленгаторов, приборов ночного видения, оптических приборов при различных условиях в атмосфере. Создание в 1960 году первого лазера открыло широкие возможности решения еще более амбициозных задач атмосферной оптики. В 1966 году численность ЛИКИ перевалила за 100 человек, дальнейший рост коллектива диктовался потребностями страны. В 1969 году был создан Институт оптики атмосферы Сибирского отделения Академии наук СССР, и 14 октября доктор физико-математических наук В.Е. Зуев назначен его директором.

Сегодня Институт активно ведет фундаментальные, поисковые и прикладные научные исследования в области атмосферной оптики и спектроскопии, лазерной физики, нелинейной оптики, физики атмосферы, разрабатывает оптико-электронные системы и технологии исследования окружающей среды. В Институте созданы и функционируют лазеры и лидары (системы дистанционного зондирования, обнаружения, измерения дальности при помощи лазерного излучения), газоанализаторы и спектрофотометры, акустические локаторы и нефелометры, ряд экспериментальных установок мирового уровня.

Сибирская лидарная станция и Самолет-лаборатория Ту-134 «Оптик» зарегистрированы Минобрнауки России как уникальные научные установки. Станция, единственная на азиатской части России, обеспечивает регулярное зондирование атмосферы с целью измерения температуры и влажности воздуха, определения характеристик аэрозоля, облачности, озона. Станция, Самолет-лаборатория и ряд крупномасштабных модельных установок составляют основу Центра коллективного пользования «Атмосфера», входящего в реестр центров коллективного пользования РФ. 

На фото: И.В. Пташник, директор ИОА СО РАН, доктор физико-математических наук

«Иногда томичи могут видеть зеленый луч, направленный в небо. Это и есть лазерный луч лидара. Рассеянное в атмосфере излучение принимает телескоп. Это – один из вариантов зондирования»,

– рассказывает директор Института, д.ф.-м.н. Игорь Пташник.

Наблюдения ведутся не только с помощью лидаров. На территории Западной Сибири расположены 12 постов, где исследуется состав атмосферы с помощью лазерных газоанализаторов и других приборов.

«Мы определяем концентрации парниковых газов в атмосфер, изучаем взвешенные в воздухе микрочастицы – аэрозоли. Они присутствуют всегда, но разные и по-разному себя проявляют. Иногда аэрозоли ослабляют парниковый эффект. В других ситуациях, как, например, минувшим летом, в период обширных лесных возгораний, аэрозоли, наоборот, могут усилить разогрев планеты»,

– говорит руководитель Отделения лазерного зондирования ИОА СО РАН, д.ф.-м.н. Геннадий Матвиенко.

Сибирь – важный климатообразующий регион на планете. Процессы, происходящие здесь, интересны ученым всего мира. При Институте функционирует самолет-лаборатория «ТУ-134 «Оптик». Раз в месяц ученые проводят измерения с воздуха в разных регионах страны. Такая лаборатория позволяет сопровождать изучаемое атмосферное явление на расстоянии в тысячи километров и следить за эволюцией его характеристик.

В 2018 году коллектив Института завоевал «Хрустальный компас» – Национальную премии в области географии, экологии, сохранения и популяризации природного и историко-культурного наследия за реализуемый с 1997 года проект Самолет-лаборатория ТУ-134 «Оптик»/Ан-30 «Оптик-Э». «Выявление скачкообразного усиления роста концентрации углекислого газа над территорией Западной Сибири и особенностей переноса примесей в Сибирском регионе, включая их поступление в Арктику».

На фото: Г.Г. Матвиенко, руководитель Отделения лазерного зондирования ИОА СО РАН, доктор физико-математических наук, директор ИОА СО РАН в 1998–2017 гг.

Сведения о содержании газов в атмосфере, о том, есть ли в воздухе превышение предельно допустимой концентрации вредных веществ представлены на сайте Института. Там же публикуется информация о погоде на данный момент времени.

Взгляд в космос

В 1995 году созданный в Институте лидар «Балкан» в составе модуля «Спектр» работал на международной космический станции «Мир». Сейчас ведутся переговоры о размещении подобного лидара на действующем космическом аппарате.

Разрабатываемые в Институте оптические методы и средства незаменимы при изучении состава атмосфер планет Солнечной системы.

«Знание спектров газов позволяет получать дистанционно очень важную информацию. Например, в спектре излучения Солнца обнаружены составляющие, свойственные молекулам воды, как это ни удивительно»,

– рассказывает директор ИОА СО РАН Игорь Пташник.

А что на Земле?

Лидары востребованы во многих отраслях науки и техники. С их помощью можно определить наличие взрывчатых веществ даже в микроскопических количествах. А также дистанционно обнаружить утечку газа и нефти из газо- и нефтепроводов. Кроме того, лидары применяются в навигационых системах для посадки самолетов, проводки морских судов. И это далеко не все сферы, где могут быть полезны эти приборы.   

«Наши ученые также исследуют поверхность океана, с точки зрения экологии и биоразнообразия. Например, можно с самолетов обнаруживать места скопления рыбы или пленки нефти и нефтепродуктов»,

– рассказывает Геннадий Матвиенко.

Ученые Института активно участвуют в международных программах, сотрудничают с коллегами из научно-исследовательских организаций и университетов Великобритании, Германии, Монголии, Южной Кореи, Польши, Сингапура, США, Франции, Японии и других стран. Из-за рубежа поступают и заказы на лидары, так как у томичей большой опыт создания и использования лидарной техники.

«Например, мы плотно сотрудничаем с Китаем, там во многих городах почти постоянно стоит дымка. С помощью лидара можно определить, есть ли в ней вредные примеси»,

– - рассказывает Игорь Пташник.

Летом в Китае был открыт китайско-российский исследовательский центр по атмосферной оптики. Есть договоренности о взаимовыгодном сотрудничестве. Ведутся работы и для российского потребителя. Например, планируется разработка лидарного комплекса для Института солнечно-земной физики СО РАН.

Молодежь и наука

Почти четверть научных сотрудников Института – молодые ученые. Интересная работа и добрые традиции поддерживать тех, кто пришел в науку недавно, привлекают в Институт выпускников университетов.

На фото: С.В. Насонов, научный сотрудник, Центр лазерного зондирования атмосферы ИОА СО РАН, кандидат физико-математических наук; А.В. Коношонкин, заведующий лабораторией атмосферной радиации ИОА СО РАН, доктор физико-математических наук

«В Институт я пришел, благодаря своему научному руководителю Анатолию Георгиевичу Боровому. Он увлек меня исследованиями явлений рассеяния света на кристаллах, я довольно быстро сумел защитить докторскую и стал руководителем новой лаборатории»,

– рассказывает зав. лабораторией атмосферной радиации, д.ф.-м.н. Александр Коношонкин.

Молодые ученые Института не раз становились победителями конкурсов на соискание грантов и стипендий Президента РФ, грантов Российского научного фонда и Российского фонда фундаментальных исследований.

«Я два раза выигрывал конкурс на стипендию Президента за работу, связанную с зондированием атмосферы. Многие измерения мы проводим на Байкале с помощью мобильной лидарной станции. Байкал оказывает мощное влияние на воздушные потоки и на климат в целом»,

- рассказывает научный сотрудник, к.ф.-м.н. Сергей Насонов.

На фото: Н.А. Васнев, инженер, Лаборатория квантовой электроники ИОА СО РАН

Молодые ученые загораются научными идеями еще будучи студентами и продолжают решать исследовательские задачи, работая в Институте.

«Мы сконструировали лазерный монитор. С его помощью можно дистанционно изучать быстропротекающие процессы – горение, взрывы, электрические разряды, взаимодействие мощных потоков энергии с веществом. Использовать такой монитор можно и в промышленности, в процессе сварки, он позволяет наблюдать за качеством сварного шва»,

 - рассказывает аспирант Николай Васнев.

С 1988 года в Институте издается научный журнал «Оптика атмосферы и океана». Журнал индексируется базой данных РИНЦ, входит в состав базы RSCI на платформе Web of Science. Версия издания на английском языке печатается и распространяется за рубежом, индексируется мировыми базами данных. Статьи в журнале публикуют ученые разных стран.

В октябре 2019 года Институту оптики атмосферы имени В.Е. Зуева СО РАН исполнилось 50 лет. В честь юбилея состоялось торжественное собрание коллектива с представлением доклада директора и фильма о научной деятельности Института, ученых поздравляли коллеги и друзья, награждали и поздравляли Министрерство науки и высшего образования РФ, Российская академия наук, Сибирское отделение РАН, руководство города и области, представители Законодательной Думы Томской области и Думы Города Томска.

Свой юбилей Институт встретил в расцвете исследовательской активности. Сила творческой мысли и острота научного предвидения академика Владимира Евсеевича Зуева, Героя Социалистического Труда, лауреата Государственной премии СССР и премии Совета Министров СССР, обладателя 22 правительственных наград воплотились в сегодняшние научные достижения и успехи Института!