Как измерить толщину тумана?

НАУКА
Как известно, обнаружить и определить дальность какого-либо объекта с помощью света стало возможным только с середины прошлого века, а точнее - с 1963 года, когда в США начались полевые испытания носимого лазерного дальномера XM-23 с мощностью излучения 2,5 Вт и диапазоном измеряемых расстояний 200-9995 м. К концу 1960-х годов лазерные дальномеры стали стандартным оборудованием новых американских танков.
Тогда же начались опыты по применению лидара с лазерными излучателями для исследования атмосферы. С тех пор столько воды утекло, столько проведено исследований и написано многотомных трудов ученых, что всю информацию об этих уникальных приборах без труда можно найти в открытом доступе на всех интернет-ресурсах, в научно-популярных изданиях и, конечно, при личном общении с людьми, непосредственно занятыми этой работой. Один из них, вернее первый в нашей стране и пока единственный ученый, серьезно занимающийся этой проблемой, - член Европейской академии наук, старший научный сотрудник НИИ транспорта и аэрокосмических проблем Национальной академии авиации (НАА) доктор физико-математических наук Керим Аллахвердиев.
ДОСЬЕ:
Керим Аллахвердиев - выпускник Московского энергетического института, в 37 лет стал доктором физико-математических наук, в 40 - получил звание профессора. Над диссертацией работал в Институте общей физики РАН под руководством нобелевского лауреата Александра Прохорова. В 1982-1990 гг. - член экспертного совета ВАК СССР по физике. В 1974 г. в составе молодых советских ученых, владеющих иностранными языками, уехал на стажировку в лабораторию Кларендон Оксфордского университета Великобритании. Потом были Германия, Япония и Турция.
В 1988 г. удостоен Государственной премии Азербайджана в области науки, в 2019 г. - премии Насиреддина Туси НАНА. В 2008 г. избран действительным членом Европейской академии наук, в 2013 г. удостоен премии ВВС США за работы в области нелинейной оптики.
За свою научную деятельность получил ряд важнейших научных результатов, автор и соавтор более 320 научных статей, трех книг и пяти патентов. Под его руководством подготовлены 15 кандидатов наук, в возглавляемой им лаборатории Института физики НАНА в советские времена защищены три докторские диссертации. Ученый сотрудничает с более чем 40 научно-исследовательскими центрами мира. Среди них МГУ им.Ломоносова, Институт общей физики РАН, университеты Оксфорда, Кембриджа, Шеффилда, Лондона, Imperial College (Великобритания), Bochum, Bayreuth и Hamburg (Германия), Американская лаборатория воздушных сил имени братьев Пeтерсон, Университет Цукуба (Япония) и др.
Когда в помощь научная коллаборация
А началось все восемь лет назад, когда по возвращении на родину после более чем 20-летнего отсутствия его пригласили поучаствовать в научном семинаре в НАА, на котором он и сделал презентацию по теме лидара. Это научное новшество так заинтересовало ректора вуза академика Арифа Пашаева, что он тут же предложил Кериму Аллахвердиеву заниматься именно этими исследованиями в НИИ транспорта и аэрокосмических проблем, который функционирует при академии. Более того, ректор предложил самим построить лидар, с помощью которого можно было бы измерять загрязнения на поверхности Каспия. Организовали рабочую группу, сделали чертежи, подготовили проект, отдали на рецензию в Научный фонд Госнефтекомпании (ГНКАР). Поначалу-то просто хотели приобрести установку, которая дистанционно измеряла бы нефтезагрязнения в море, но на рынке ее не было. Искали через НАСА, через японских, французских и российских коллег - бесполезно. Решили сами создать прибор для мониторинга жидких и твердых загрязнений, возникающих в процессе нефте- и газодобычи. С тех пор это стало жизненным кредо ученого: «Если какой-то важный прибор невозможно купить, его надо создать самим».
Кстати, 20 лет за пределами Азербайджана Керим муаллим не зеленью на рынках России торговал, как это случалось с нашими учеными после развала Союза. Он был профессором физики в Ближневосточном техническом университете в Анкаре, затем заведующим отделом Мармаринского исследовательского центра Турецкого комитета по науке и технологиям (TÜBİTAK). Именно там он стал заниматься лидаром для обнаружения аэрозолей, успешно его построил, и в 2010 году благодаря исследовательской группе под его руководством Турция стала кандидатом в Европейское сообщество лидаров для исследования аэрозолей. Вот оттуда и международная коллаборация, и связи, и оперативное решение вопроса о закупке нужного оборудования. Лазер заказали во Франции, зеркала для него купили в России, русские же друзья-коллеги приехали и помогли с наладкой. После того, первого «сокаровского» проекта последовал и второй: нефтяники так загорелись идеей иметь модерновый суперприбор, что в ноябре 2019-го приступили к реализации еще одного, уже двухлетнего проекта.
Через несколько месяцев, а именно - в ноябре, исследователи должны отчитаться, на что потрачены деньги спонсоров и на какой стадии их разработки. «Мы претендуем, - делится Керим муаллим, - на составление спектров свечения различных нефтей, взятых с различных же нефтедобывающих предприятий (восемь азербайджанских и четыре совместных), а также на составление банка данных спектров фотолюминесценции для анализа содержания примесей в водоемах». Иначе говоря, главная задача - установить, откуда утекает нефть, ведь малые ее порции невооруженным глазом не видны, они будут заметны, только если на морской поверхности разлились сотни тонн мазута, нефти, масла и т.д. А вот лидару это по силам. Каким образом?
Как только на поверхности морской воды появляется нефтяное пятно, тотчас же на экране (осциллограф) возникает сигнал - в виде кривой. Далее посредством 20-сантиметрового телескопа, который установлен на рабочем месте ученого в его НИИ, информация передается по назначению. Рассказывая об этом, Керим муаллим вздыхает: «Вот у американцев диаметр зеркала не 20 см, как у нас, а 5 метров, поэтому они могут ловить с расстояния до 5-7 километров, а мы - всего лишь с 250 метров».
В спектрометре живет «черт»
Но даже при таких параметрах лидар определит характеристики спектра, то есть покажет отличие азери-чираговских нефтей, к примеру, от гюнешлинских и т.д. Эти испытания позволили сделать вывод: прибор соответствует требованиям поставленной задачи, то есть может определять наличие нефтяного загрязнения на поверхности морской воды, что проверено на одном из месторождений в Пираллахи несколько лет назад. А сейчас исследователи решили усложнить задачу и определить колебания нефтяных атомов за счет дополнения так называемыми рамановскими спектрами. Об этих самых спектрах ученый рассказывает презабавную историю - одну из тех, коими изобилует мировая наука.
В 1928 году индийский ученый Чандрасекхара Венката Раман опубликовал результаты своих исследований в авторитетном немецком научном журнале Zeitchrift für Natur Forschung, а затем выдвинул свою кандидатуру на присуждение Нобелевской премии. В это же время советские физики Леонид Мандельштам и Григорий Ландсберг в подмосковном Троицке в своей лаборатории поставили точно такой же эксперимент, но результаты их не удовлетворили, поэтому решили никому до поры до времени не говорить. «Среди физиков того времени, - поясняет К.Аллахвердиев, - существовало понятие, что в спектрометре живет «черт», то есть сегодня измеряешь спектр, имеешь одну кривую с какой-то особенностью, потом начинаешь измерять через пару дней, и этой особенности уже нет. То есть был «черт», а потом ушел. Они на полном серьезе побоялись, что это действительно была «нечистая сила», и решили поискать другой такой же спектрометр. Долго искали, через два месяца нашли в Ленинграде. Пока убедились, что «черта» там все-таки не было, время было упущено. В итоге нобелевским лауреатом стал Раман».
Эта обида долго держалась среди ученых мужей Советского Союза, и когда в 1978 году все мировое научное сообщество отмечало 50-летие эффекта Рамана, в СССР было запрещено даже упоминать этот термин. Именовали просто - комбинационное рассеяние света, а на статьях тех ученых, кто все же отважился называть вещи своими именами, ставили крестик, возвращали обратно автору и никогда больше не печатали. Ни в одном советском журнале.

- Насколько широка область применения лидара?
- Практически нет такой сферы деятельности, где бы он ни применялся: начиная от гражданских целей, космической и авиационной геодезии, мониторинга лесов и биомассы, систем активной безопасности, оборонной промышленности и заканчивая космическими исследованиями.
Поэтому наши исследования важны как в научно-теоретическом, прикладном, так и в стратегическом плане, а разработка и использование на территории Азербайджана лидара, предназначенного для определения параметров атмосферных аэрозолей в широком диапазоне, содержит в себе большие перспективы. Кроме того, предлагаемый в проекте прибор может послужить базой для сети лидаров по аэрозольному мониторингу Каспийского региона с привлечением заинтересованных стран (Азербайджан, Россия, Иран, Туркменистан, Казахстан). С этой точки зрения наша страна имеет потенциал, чтобы выступать в качестве основного актора научно обоснованной инновационной инициативы в регионе по данному направлению.
Пронизывая толщину облаков
- На каком объекте в нашей стране установлены лидары?
- Он у нас пока один-единственный, и установлен в Международном аэропорту Гeйдap Aлиeв. Прибор используется для обеспечения безопасности полетов. Он содержит лазерный источник излучения, телескопическую трубу, из которой посылается и собирается отраженный или рассеянный от объекта свет, приемник излучения и компьютерную систему. Если погода туманная, прибор определяет толщину тумана, если облачная - толщину облаков, то есть «обстреливает» воздушное и наземное пространство, предоставляя пилоту информацию, когда авиалайнер взлетает или совершает посадку.
- А еще лидары незаменимы в охранной деятельности, верно? Я имею в виду машины в виде маленьких броневичков, выплывающих из грузовых отсеков самолета вслед за хозяином, который опасается за свою жизнь и знает, что нынешние киллеры предпочитают не пистолеты, как раньше, а химию - боевые отравляющие вещества.
- Все верно. Сейчас киллеры редко применяют огнестрельное оружие, но все же если такое случается, и здесь все продумано: по всему периметру устанавливаются электронные приборы, фиксирующие полет пули. Навстречу ей мгновенно в автоматическом режиме летит другая, нейтрализующая ее, они сталкиваются в воздухе и до объекта ничего не долетает.
А вот с химическими веществами посложнее. Тут механизм такой: во время химической атаки шар наполняют отравляющим веществом и, зная направление ветра, запускают его. Когда он достигает цели, бьют по нему патроном, шар лопается, и вся отрава опускается вниз. Но функция лидара в том, что еще на подлете, на расстоянии плюс-минус 7 километров, он фиксирует шар как опасный летающий объект, что позволит посадить особо важную персону в броневик и вывести из опасной зоны.
- Какие еще организации помимо ГНКАР заинтересованы в приобретении лидара?
- Думаю, что нелишним было бы участие Минэкологии, Министерства транспорта, связи и высоких технологий, академических структур - институтов систем управления и физики, а также Республиканского центра сейсмической службы, ведь речь идет о создании лидарной системы, способной прогнозировать землетрясения. Хотя у наших кибернетиков есть какая-то своя новая оригинальная методика по инфранизким частотам шумов, идущих от нефтяных скважин (она позволяет предсказывать сейсмическое событие с вероятностью до 90% за два-три дня до его начала).
Мы построим лидар, который будет делать то же самое при помощи тонких облаков и возросшей концентрации углекислого газа, являющихся предвестниками землетрясения.
- Сфера ваших научных интересов ограничивается только лидарами? Как вообще складывалась ваша научная карьера?
- Кроме лидаров в течение последних 25 лет я занимаюсь лазерами и лазерной спектроскопией (до этого были нелинейная оптика, физика полупроводников). Первая моя статья на эту тему вышла в 70-е годы.
- В чем уникальность лазера?
- Объясню на наглядном примере. Посмотрите на лампу - видите, она светит во все стороны, но если вы захотите осветить ею здание, находящееся, скажем, метрах в пяти отсюда, ничего не получится, потому что лампа светит во все стороны одинаково. А у лазера свет направленный, он может уйти из любой точки Земли и достичь далеких объектов. Сегодня лазерное излучение используется для локации аэрозолей на расстояниях до 20 км. И происходит это потому, что лазерное излучение - сильно направленное и имеет малую расходимость. Последнее не характерно для обычных ламп. Вот эта малая расходимость лазерного излучения, его монохроматичность и есть одно из его уникальных свойств.
Расскажем миру о наших реалиях
- Согласитесь, история лазера не менее интересна, чем история эффекта Рамана.
- Соглашусь. В 1964 году американцы выдвинули на Нобелевскую премию Чарльза Таунса. Когда советские ученые Александр Прохоров и Николай Басов узнали, что в Нобелевском комитете будет рассматриваться дело американца, соответствующие организации написали в комитет, что эти ученые еще в 1953 году опубликовали в своем советском журнале (о котором на тот момент вряд ли кто слышал), что провели подобные исследования на молекулах аммиака. Нобелевский комитет продемонстрировал удивительную объективность - в итоге престижную премию получили все трое.
И тут уже стало обидно выдающемуся Валентину Фабриканту (с огромным удовольствием слушал его лекции), который еще в 1947 году собирался сделать лазер из люминесцентной лампы, однако поосторожничал, поделился со мной: «Ты же понимаешь, Керим, если бы я продолжил свои исследования, меня с моей пятой графой упекли бы в Сибирь, сказали бы, что создаю прибор, который убивает или ослепляет людей». Чтобы он не возмущался, ему дали Ленинскую премию и квартиру в Москве. А coaвтором первого в мире газового лазера был азербайджанец из Ирана Али Джаван, он потом уехал в Америку, в Калифорнию, и там уже создал гелий-неоновый красный лазер, который используется до сих пор. Но за это свое открытие он ничего не получил.
- А с нашими соотечественниками за рубежом вам часто приходилось встречаться?
- Нет, не часто. Расскажу такой случай. Мой ныне покойный близкий знакомый, тоже физик, работал в Массачусетском технологическом университете и очень помогал своим соотечественникам-евреям, особенно в начале 90-х, когда после развала Советского Союза началась их массовая эмиграция. Он говорил: «Достаточно любому еврею подойти ко мне и сказать I am Jewish, я сделаю для него все». Я поинтересовался, как с этим обстоит у армян. Он ответил, что армяне - вторая по численности диаспора Америки, и живущий в стране армянин тоже поможет новичку, но всегда даст ему понять, что он его облагодетельствовал.
Я, конечно, спросил и про азербайджанцев, и мой знакомый ответил, что вообще об азербайджанцах, живущих в Штатах, ничего не слышал. Это было в конце 90-х - начале 2000 годов. Когда спустя несколько лет я застрял в одном из европейских аэропортов, недалеко от меня сидели двое молодых армян и обсуждали международную кампанию Juctice for Khojaly («Справедливость к Ходжалы»). Тогда я понял, что ситуация очень изменилась: Азербайджан вышел на такой уровень, что способен рассказать миру о наших реалиях, и это может вызвать такой резонанс! Вспоминается случай, когда на одном из международных семинаров ко мне подошла женщина, ученый-физик из Армении, и грустно произнесла: «Керим-джан, как жаль, что мы стали врагами. Кому нужна эта политика?».
- НИИ транспорта и аэрокосмических проблем находится в составе высшего учебного заведения. Проявляют ли студенты интерес к науке?
- Конечно. Некоторые студенты еще на преддипломной стадии занимаются научными исследованиями, а выпускники под руководством наших преподавателей начинают работать над своими будущими диссертациями. Я читаю курс общей физики на английском языке, и меня поразило, насколько глубоки знания как языка, так и предмета у будущих пилотов и авиадиспетчеров. Причем и девушек, и юношей в группе диспетчеров примерно одинаковое количество. Честно говоря, не ожидал, что у них будет такая хорошая база. Во многом это обусловлено заботой о них со стороны руководства нашей академии, для студентов здесь созданы идеальные условия - демократичная творческая обстановка, возможность самореализации и так далее. Иногда даешь им задачу и пока сам соображаешь, они уже выдают готовый ответ.
Это неудивительно, ведь возглавляет академию и НИИ очень сильный ученый, физик, прошедший очень хорошую школу, - академик Ариф Пашаев. Поверьте, я говорю так не потому, что работаю под его руководством. Это объективная оценка. Да и если обратить свои взоры на наше общее советское прошлое, то в рейтинге исследований полупроводников азербайджанская школа физиков была в первой пятерке - после Москвы, Ленинграда и Новосибирска были мы и украинцы.
- За 20 лет, что вы отсутствовали на родине, многое изменилось. Что вас поразило или удивило более всего?
- По приезде в Баку я первым делом наведался в свой Институт физики НАНА, в котором проработал несколько лет, удивился обилию красивых модных девушек, значительно превосходящих по количеству юношей. Перехватив мой взгляд, ныне покойный академик Максуд Алиев сказал: «К сожалению, парни в науку не идут, зарплата низкая». И это печально.
Лидар (транслитерация LIDAR - англ. Light Detection and Ranging - «обнаружение и определение дальности с помощью света») - технология получения и обработки информации об удаленных объектах с помощью активных оптических систем, использующих явления поглощения и рассеяния света в оптически прозрачных средах.
Галия АЛИЕВА