Страница 151 из 161
Лидар может быть использован для измерений скорости ветра, что необходимо для метеорологии и разработок моделей климата, а также для измерения скорости аэрозолей, дыма и пр. В этом случае используется эффект Доплера, заключающийся в малых изменениях частоты света, испускаемого движущимися телами, или отраженного от них. �змеряя эти изменения частоты отраженного (рассеянного в обратном направлении) света тем или иным способом, можно получить информацию о скорости. Соответствующий инструмент называется доплеровским лидаром.
С помощью лидара можно изучать конвекционные явления в облаках. Облака отражают и переизлучают инфракрасное излучение, несущее тепло. Они важны для нагрева и охлаждения атмосферы, но никто не знает, как описать их влияние. Можно также изучать водяные пары, которые играют роль в образовании ураганов. Путем измерения изменений в спектрах молекул кислорода получается информация об атмосферном давлении и температуре.
Аналогичные методики можно использовать и для морских измерений, например для измерений количеств хлорофилла и фитопланктона. Важность таких измерений очевидна, так как фитопланктон поставляет около двух третей поступающего в атмосферу кислорода. Загрязнения воды разлившейся с кораблей нефтью и другие загрязнения, а также температуру воды и ее соленость также можно измерять.
Можно также изучать явления сгорания. Целью исследовательских программ в этой области является разработка диагностических методик контроля процессов сгорания в промышленных предприятиях. Можно измерять температуру, концентрацию и скорость различных газов, а также размеры частиц дыма.
Для всех этих измерений используются лазеры самых разных типов, в зависимости от определенного применения: рубиновые, неодимовые, на красителях, диодные и др. �х стоимость может изменяться в широких пределах, они могут быть как стационарными, так и портативными, для установки на различные транспортные средства.
Адаптивная оптика
Мы теперь опишем несколько применений, которые, на первый взгляд, могут показаться из научной фантастики. Одно из них т.н. адаптивная оптика.
Адаптивная оптика улучшает качество изображения РІ больших телескопах путем компенсации искажений, вызываемых атмосферой, С‚.Рµ. искажений световых пучков РїСЂРё РёС… прохождении через атмосферу. Такие искажения можно легко видеть, если, например, РІ жаркий день наблюдать пейзаж РїСЂРё заходящем солнце. Р�зображение кажется дрожащим (марево). Адаптивная оптика компенсирует эти искажения, Рё поэтому ее РёРЅРѕРіРґР° называют методикой, которая останавливает мерцание звезд. Рто определение может вызвать возмущенную реакцию: РќРѕ это ужасно, Рё должно быть запрещено!
Давайте посмотрим, что получается РЅР° самом деле. Звезды расположены настолько далеко РѕС‚ Земли, что РёС… свет РїСЂРёС…РѕРґРёС‚ Рє нам РІ РІРёРґРµ плоских волн (плоский волновой фронт). Р’ теории телескоп снабжен совершенной оптикой, которая концентрирует свет РІ маленький, СЏСЂРєРёР№ кружок, размеры которого ограничены лишь явлениями дифракции, С‚.Рµ. действием диаметра главного объектива или зеркала РЅР° падающую РЅР° него волну. Две близкие звезды можно видеть отчетливо раздельными, если СѓРіРѕР», РїРѕРґ которым РѕРЅРё РІРёРґРЅС‹ РІ телескоп, больше минимального значения угла, РїСЂРё котором РѕР±Р° СЏСЂРєРёС… пятна, каждый РёР· которых производится звездой, сливаются РІ РѕРґРЅРѕ пятно. Ртот минимальный СѓРіРѕР» называется угловым разрешением. Лорд Рэлей дал критерий, определяющий эту величину. Угловое разрешение телескопа РїРѕСЂСЏРґРєР° угловых секунд определяется постоянством времени волнового фронта для волны, преобразуемой РІС…РѕРґРЅРѕР№ апертурой телескопа. Так космический телескоп Хаббл РЅР° орбите РІРѕРєСЂСѓРі Земли имеет диаметр телескопа 2,4 Рј, Рё угловое разрешение, близкое Рє 0,05 угловых секунд. РќР° Земле такой же 2,4 Рј телескоп имеет угловое разрешение РІ 20 раз хуже РёР·-Р·Р° искажений РІ атмосфере.
Телескопы строятся СЃ большими апертурами, С‚.Рµ. СЃ зеркалами большого диаметра (РґРѕ нескольких метров), СЃ поверхностью, обработанной СЃ высокой точностью (РґРѕ долей длины волны). Гигантские собиратели света дают возможность обнаруживать Рё изучать свойства очень слабых (удаленных) объектов, именно РёР·-Р·Р° того, что РёС… огромные входные апертуры могли собрать слабый свет, испускаемый объектом. Более того, телескопы СЃ высоким разрешением позволяют разглядеть больше деталей наблюдаемых объектов. Рљ сожалению, малые флуктуации температуры атмосферы вызывают флуктуации коэффициента преломления РІРѕР·РґСѓС…Р°. Рто, РІ СЃРІРѕСЋ очередь, РїСЂРёРІРѕРґРёС‚ Рє тому, что разные части первоначального волнового фронта РїСЂРѕС…РѕРґСЏС‚ несколько различные пути, Рё изображение РІ телескопе, соответственно, размывается. Рћ таких аберрациях РјС‹ уже говорили. Р�зображение РґРёСЃРєР° звезды, получаемого СЃ помощью телескопа СЃ диаметром 4 Рј, установленного РЅР° земле типично РІ 40 раз больше того оптимального размера, который должен был Р±С‹ получаться согласно теории дифракции. Технически это обозначается, как когерентный диаметр атмосферы, Рё его значение обычно составляет 1020 СЃРј. РўРѕС‚ факт, что фотоны РѕС‚ далекого объекта разбрасываются РїРѕ пятну РІ 40 раз большего, чем дифракционный предел, означает, что интенсивность изображения РІ 402 раз меньше. Поэтому даже хотя большие телескопы СЃ апертурой, большей, чем когерентный диаметр атмосферы, РјРѕРіСѓС‚ собрать больше фотонов, это ничего РЅРµ дает РІ смысле увеличения разрешения. Критики РјРѕРіСѓС‚ интерпретировать этот факт как то, что величайшие телескопы РјРёСЂР° имеют чрезмерную стоимость.