Институт оптики атмосферы им. В. Е. Зуева СО РАН ставит амбициозные цели и достигает их

На заседании ученого совета в Институте оптики атмосферы им. В. Е. Зуева СО РАН (ИОА СО РАН), посвященном Дню космонавтики, семи сотрудникам вручены медали Федерации космонавтики России за исследования по космической тематике.

Первый, тем и гордимся

Научные направления института, сформулированные его основателем – академиком В. Е. Зуевым, изначально включали различные аспекты, связанные с взаимодействием оптического излучения с атмосферой, исследованиями самой атмосферы, в том числе из космоса, дистанционным зондированием земной поверхности со спутников. Институт принял активное участие в разработке образцов техники для лазерного зондирования атмосферы из космоса и первого отечественного космического лидара БАЛКАН (бортового аэрозольного лидарного комплекса Академии наук). К сожалению, путь в космос оказался для него непростым.

В создании лидара приняли участие три организации: головной институт – ИОА СО РАН, СКБ «Оптика», Российский научно-исследовательский институт космического приборостроения в Москве. В 1984 году по заданию Российской космической корпорации НПО «Энергия» в стране начались опытно-конструкторские работы по созданию новой научной аппаратуры для многофункциональной орбитальной станции «МИР». БАЛКАН органично вписывался в этот проект и должен был сыграть в нем важную роль.

Работа шла успешно, и в 1990 году завершились все наземные испытания. В составе модуля «Спектр» орбитальной станции «МИР» лидар был готов для вывода в космос. Об этом академик Владимир Зуев заявил на 15-й международной лидарной конференции, проходившей в институте в Томске.

Но в стране начались преобразования, связанные с распадом СССР, финансирование практически прекратилось, и вывод модуля «Спектр» на орбиту был отложен. Его законсервировали. И только в мае 1995 года после проведения предстартовых испытаний лидар достиг околоземной орбиты. За два года работы модуля в космосе сменились три орбитальные экспедиции космонавтов, и все они успешно провели измерения с использованием космического лидара.

Его ресурс использован всего на 10%, так как в июне 1996 года на модуле «Спектр» случилась внешняя авария, и работы с лидаром прекратились. Но БАЛКАН доказал свою жизнеспособность! Эксперименты по отработке техники орбитального лазерного зондирования и проверки алгоритмов интерпретации лидарных сигналов ученые продолжили с помощью российско-французского лидара ALISSA в составе модуля «Природа» этой же станции.

БАЛКАН успешно выполнил свои задачи. Прибор использовался для зондирования подстилающей поверхности и верхнего слоя океана, измерения параметров облачных образований в глобальном масштабе, других исследований. Предварительные результаты позволили осуществить технологическую проверку лидаров, отработать методики совместного подспутникового эксперимента и получить массивы лидарных сигналов, пригодных для обработки данных зондирования.

Умные приборы

Для развития исследований в институте в 1981 году сначала была создана группа, а затем лаборатория дистанционного зондирования атмосферы космическими средствами, цель которой – калибровка отечественных оптико-электронных приборов дистанционного зондирования земной поверхности из космоса. Задача состояла в том, чтобы научить приборы превращать измеряемые в космосе параметры оптического излучения в количественные характеристики земной поверхности (например, температуру) с высокой точностью.

К сожалению, все из-за того же распада СССР работы по созданию спутниковых группировок в стране были свернуты, а зарубежные спутниковые данные оказались недоступными. Но в институте исследования не прекратились. В. Е. Зуев обратился к руководству с предложением приобрести станцию приема информации с метеорологических спутников NOAA (США), были выделены средства и получено оборудование. Начиная с 1987 года институт принимает спутниковые данные, обрабатывает их и применяет на практике. Лишь в 2011 году институт получил новую современную станцию.

Значение приема и обработки спутниковых изображений трудно переоценить. Это и получение данных о температуре земной поверхности, необходимых для метеорологов и климатологов. И мониторинг состояния сельскохозяйственных культур, занимающих обширные территории. И раннее обнаружение чрезвычайных событий и стихийных бедствий, таких как лесные пожары и наводнения. Кстати, эффективность разработанного в ИОА СО РАН алгоритма распознавания очагов возгораний выше, чем у зарубежных аналогов. Конкретно в Томской области он почти 10 лет успешно применялся для обнаружения лесных возгораний.

За мусором глаз да глаз

Освоение космоса становится все более интенсивным. В нем накапливается космический мусор, движутся космические аппараты, а их запускается больше и больше. За ними нужен контроль, чтобы не допустить столкновений, опасных ситуаций и вовремя изменить траекторию движения спутника. С этим успешно справляется сеть квантово-оптических станций (КОС), обеспечивающая работу Российской службы контроля космического пространства. Ее цель – оперативно определить условия видимости через атмосферу. В ИОА СО РАН специально для этого созданы уникальные аппаратурные и программные комплексы, модификации которых смонтированы на Алтае, в Москве, в Щелково и на Кавказе. Панорамно-оптическая станция TomSky позволяет круглосуточно вести мониторинг оптического состояния неба.

Почему Марс интересен ученым

Познание космоса и природы экзопланет требует от ученых исследований на молекулярном уровне. В институте решается важная задача расчета молекулярных спектров, которые являются своего рода ключом к пониманию процессов, протекающих в атмосферах Земли и других планет. Дело приходится иметь с высокотемпературными спектрами, а это – большой объем вычислений, произвести их помогают методы квантовой химии. Одно из направлений исследований – расчеты спектров молекулы метана, она, как известно, является индикатором, определяющим наличие жизни на той или иной планете, включая экзопланеты. В ИОА СО РАН вычислены высокотемпературные спектры многих молекул.

Наработками томские ученые делятся с коллегами из Гарварда, Парижского университета, Национального управления по воздухоплаванию и исследованию космического пространства (США), научными лабораториями Китая и Японии. Такие дорогостоящие и объемные исследования требуют кооперации усилий научных коллективов из разных стран, потому что они имеют важное фундаментальное значение и практическое применение. Например, с использованием результатов расчетов возможно эффективное восстановление концентрации метана, углекислого и других парниковых газов в атмосфере Земли. В институте имеется постоянно пополняемый интернет-банк параметров молекулы углекислого газа, которым пользуются Роскосмос, NASA, Европейское космическое агентство. Интерес вполне объясним – атмосфера Венеры и Марса на 90% состоит из углекислого газа.

Также совместно с коллегами из Института космических исследований РАН в ИОА СО РАН получены значимые результаты по описанию спектров так называемой тяжелой воды, которые позволяют получить новые данные об атмосфере Марса и Венеры. Интерес ученых обращен к Марсу, если там удастся зарегистрировать газы, содержащие серу, то это позволит подтвердить гипотезу о продолжающейся геологической и вулканической активности на этой планете. Пока же при исследовании спектров атмосферы Марса следов метана не обнаружено.

Метеорологам в подмогу

Весомый вклад институт внес в создание оригинальных алгоритмов обработки данных о глобальном поле облачности, полученных с помощью спутниковых систем, которые имеют широкий спектр применений. Они нужны для прогноза погоды, моделирования климата и обеспечения безопасного полета авиатранспорта. В институте с 2009 года ведутся работы по созданию уникальных компьютерных программ, позволяющих автоматически определять разные типы облачных полей.

С возвращением!

Сотрудники ИОА СО РАН с полным правом отмечают День космонавтики, потому что они работают над решением задачи точного приземления космических спускаемых аппаратов. Расчет траектории спуска и координат приземления аппарата – сложная задача. Порой между реальной и расчетной точками посадки – десятки километров и более, если корабль переходит в режим баллистического спуска. При торможении в атмосфере скорость и направление движения аппарата зависят от плотности, температуры и состава воздуха, скорости ветра и многих других атмосферных параметров. А точность прогноза места приземления влияет на ход и длительность поисковой операции.

Координаты места приземления специалисты определяют, исходя из плотности атмосферы. В институте на малой станции высотного зондирования ученые делают это дистанционно – определяют концентрацию аэрозоля, температуру и плотность атмосферы по лидарным данным. Это позволяет решать задачу оперативного измерения параметров атмосферы за несколько часов до спуска аппарата с орбиты благодаря разработке специального лидарного комплекса, который можно разместить на борту МКС. И летательный аппарат в результате приземляется в точно назначенное место согласно произведенным расчетам. Космонавты могут быть уверены, что их там уже встречают.

Автор: Нина Губская
Фото: Елена Астафьева