Исследователи из лаборатории спектроскопии планетных атмосфер высокого разрешения МФТИ разработали прибор, который позволяет с ранее недоступной точностью измерить концентрацию в атмосфере различных газов. Инфракрасный спектрорадиометр описан в статье ученых для журнала Optics Express.
В статье Александра Родина (кроме МФТИ, физик работает в Институте космических исследований, ИКИ РАН), Артема Климчука (МФТИ), Александра Надеждинского (Институт общей физики РАН им. А.М.Прохорова, ИОФ РАН), Дмитрия Чурбанова (МФТИ) и Максима Спиридонова (ИОФ РАН) сообщается, что спектрорадиометр обходит по разрешению лучшие из имеющихся сейчас серийных спектрометров ближнего инфракрасного диапазона на два порядка, и на порядок — недавно описанное специалистами центра НАСА им. Годдарда устройство, построенное на аналогичном принципе.
Выявление в атмосфере двуокиси углерода, метана и некоторых других газов с попутным определением их концентрации на различных высотах необходимо, в частности, для прогноза глобального потепления. На сегодняшний день сам факт роста температур на планете из-за парникового эффекта сомнений у абсолютного большинства ученых не вызывает, но вот уверенно прогнозировать дальнейшее развитие глобального потепления пока нельзя. Прогнозирование (и, соответственно, разработку адекватных ответных мер) затрудняет, в том числе, недостаток данных о распределении парниковых газов: для создания плотной сети наблюдательных станций требуется много сложных, громоздких и дорогих спектрометров.
Внешний вид прибора. Фотография предоставлена Александром Родиным.
Разработка российских ученых отличается не только более высокой разрешающей способностью, но и неприхотливостью. Авторы новой публикации отмечают, что их устройство гораздо менее чувствительно к внешним воздействиям по сравнению с существующими аналогами. Его работа в меньшей степени зависит от вибраций, влажности и воздействия как низких, так и высоких температур.
Как удалось сочетать надежность с высокой чувствительностью, пресс-центр МФТИ узнал непосредственно у ведущего автора, Александра Родина. Исследователь пояснил, что в приборе используется принцип гетеродинирования, известный уже более ста лет. Суть метода можно описать следующим образом: принимаемый сигнал (в общем случае неважно, радиоволна или же прошедший через атмосферу солнечный свет, как в новом приборе) сначала складывается с некоторым эталонным сигналом и превращается в сигнал промежуточной частоты.
Преобразованный сигнал намного проще обрабатывать: усиливать или фильтровать. Более того, при достаточно стабильной частоте эталонного сигнала можно добиться очень высокой чувствительности. Проблема лишь в том, что сигнал очень высокой частоты, инфракрасный или оптический, не так просто сложить с эталоном — эталонный источник должен быть очень стабилен и при этом давать излучение высокой интенсивности. Если первые гетеродинные радиоприемники, работающие на частотах порядка мегагерц, построили еще в начале XX века (а к концу Второй мировой войны они стали массовыми), то в терагерцевой области гетеродинные приборы появились только в наши дни. Для ближнего ИК-излучения, частота которого выше еще в несколько сотен раз, задача совмещения сигналов представлялась сопряженной с целым рядом технических сложностей.
Расчеты показывали, что для гетеродинного сигнала в ближнем ИК-излучении требуется крайне «капризное» устройство. Даже сдвиг на сотые доли длины волны (то есть на десяток-другой нанометров) мог оказаться критичным, однако в итоге исследователям из МФТИ и ИОФ удалось создать гетеродинный детектор ближнего инфракрасного излучения. Ключевую роль в этом сыграла стабилизация лазера.
Физики воспользовались оптической системой, которая направляет луч лазера в два разных места: на модуль для смешивания с пропущенным через атмосферу солнечным светом (анализируемым сигналом) и на кювету с чистым образцом того газа, который требуется выявить. Так как газ поглощает электромагнитные волны со строго фиксированной частотой, по яркости прошедшего через кювету излучения можно определить, насколько отклонился от эталонной частоты лазер. А это, в свою очередь, дает возможность скорректировать частоту оптического квантового генератора, то есть лазера (слово laser образовано от light amplification by stimulated emission of radiation).
На официальной странице проекта «ИВОЛГА» (тоже аббревиатура: «Инфракрасный ВОЛоконный Гетеродинный Анализатор») говорится о том, что новые спектрорадиометры могут быть основой как для стационарных, так и мобильных станций по мониторингу атмосферы.
