4050. Институт физики им. Б.И. Степанова НАН Беларуси: Игла в небо
Институт физики им. Б.И. Степанова НАН Беларуси давно и успешно сотрудничает с российскими научными институтами в области фундаментальной науки и прикладных исследований.В рамках программы Союзного государства сегодня выполняются научные проекты по самым разным направлениям: нанофотонике, физике наногетероструктур, методам оптического зондирования атмосферы, физике плазмы и т.д. Особенно активно развивается сотрудничество с томским Институтом оптики атмосферы им. В.Е. Зуева СО РАН. Ученые обоихинститутов совместно разрабатывают важные для экологической безопасности механизмы контроля содержания парниковых газов в атмосфере по данным наземных и спутниковых измерений. Об этом и многом другом — наш разговор с учеными из Минска и из Томска.
Заведующий Центром «Оптическое дистанционное зондирование» Института физики им. Б.И. Степанова кандидат физико-математических наук А.П. Чайковский
Наблюдать — значит видеть
Наверное, это единственный дом в Минске, где каждое утро, чтобы начать работу, «делают дырку в крыше». Литературный образ принадлежит заведующему Центром «Оптическое дистанционное зондирование» Института физики им. Б.И. Степанова кандидату физико-математических наук Анатолию Павловичу Чайковскому.
Он и командует той самой лазерной установкой для исследования атмосферы (лидаром), для которой требуется отверстие в крыше.
— Почему вы занимаетесь лазерами?
— Исторически наш институт сформировался как оптический. Потом появились лазеры и стали одним из основных направлений его развития. Проблема использования лазеров для исследования окружающей среды сегодня — одна из наиболее актуальных. У нас в институте работает член-корреспондент НАНБ А.П. Иванов. Он был руководителем лаборатории оптики рассеивающих сред в 1960-е гг., когда работы с лидарами только начинались. А.П. Иванов, как и одиниз главных организаторов нашего института Б.И. Степанов, приехал к нам из Ленинграда, из Государственного оптического института. Там велись наблюдения за состоянием атмосферы.
— Другой центр был в Томске?
— Да. А наблюдать — значит видеть.
— Сквозь облака, туманы, задымления и грозы?
— Конечно. Как только появились лазеры, стало понятно, что теперь есть уникальный инструмент, который позволяет видеть состояние атмосферы гораздо лучше, чем раньше. Приложений множество. Но если раньше загрязнение атмосферы было где-то на втором плане, то постепенно эта проблема стала актуальной и, пожалуй, самой главной. Это ведь экология планеты! В то же время сформировался институт в Томске. С тех пор мы с Томском непрерывно взаимодействуем. Иногда работаем над одними проектами, иногда мы у них что-то заказываем, иногда они у нас. В общем, мы добрые друзья. И в научном плане у нас много общего, и в технологическом отношении мы дополняем друг друга. То есть у нас полное взаимодействие.
— И что же вы делаете вместе?
— Применений лазерных систем очень много. В Беларуси изготавливаются десятки лазеров для различных целей. Они используются в машиностроении и медицине, на химических производствах и в вузах, а также для исследования окружающей среды.
Начиная с 1990-х гг. подходы к определению целей и организации научной работы меняются. Беларусь — независимая страна, у нас совсем другой круг вопросов и во многом другой подход к задачам научных исследований, чем был в Советском Союзе. У нас он очень практичный. Раньше мы разрабатывали лазерную технику, передавали ее в большую страну — там был потребитель. Нам не нужно было задумываться, что будет с этим прибором. Сейчас подход другой. У нас есть свои проблемы, в решении которых лазерные системы могут дать хороший результат. В последние годы мы работаем над серьезной проблемой — мониторингом трансграничного переноса загрязнений в атмосфере в регионе Беларуси. Лазерное зондирование атмосферы — это дистанционный метод. Он хорош тем, что позволяет обнаруживать загрязняющие вещества на больших расстояниях. Локальные измерения в приземном слое атмосферы для этих целей непригодны. Перенос загрязнений по большей части происходит не вблизи земной поверхности, а в слое атмосферы до 30 км. Лидары (лазерныелокаторы) — оптимальный инструмент для наблюдения этих процессов. Это большая работа, которую мы ведем с российскими коллегами.
— Вы изучаете истоки загрязнений атмосферы не только в Беларуси?
— Конечно. Почему мы сотрудничаем с томичами, хотя, казалось бы, они так далеко от нас? Дело в том, что нам нужно получать информацию со всего евразийского континента, в ряде случаев требуются данные наблюдений на всей планете.
— Чтобы понимать, что происходит в Беларуси?
— И это нужно не только нам. Дистанционный мониторинг окружающей среды стал необходимым для всех развитых в научном и техническом отношении стран, которые обладают потенциалом для решения экологических проблем. Существуют две технологии, которые позволяют получать достоверную информацию об атмосфере в требуемых объемах. Одна — это спутниковые наблюдения, а вторая — сети наземных систем дистанционного зондирования. Один лидар дает локальную информацию, но не общую картину.
— А что измеряется?
— Атмосферные примеси — газовые и аэрозольные; как эти вещества появляются, откуда пришли, сколько их. В 2000 г. в рамках Пятой рамочной программы ЕС была создана Европейская экспериментальная аэрозольная лидарная сеть EARLINET. Сеть объединяла и координировала работу 21 научной группы, проводившей регулярные лидарные наблюдения в атмосфере в странах Западной Европы. Наш институт был единственной организацией из стран Восточной Европы и бывшего СССР, которая участвовала в этом проекте. Проект продолжается 17 лет. За это время экспериментальная лидарная сеть EARLINET трансформировалась в комплексную сеть дистанционного зондирования окружающей среды с развитой инфраструктурой измерительных станций, широким перечнем аппаратуры и измеряемых характеристик, унифицированной измерительной аппаратурой, системой контроля качества измерений и развитым информационным обеспечением. Объем выполняемых работ и количество участников проекта превысили рамки исследовательской программы. Проект ACTRIS-2 в рамках программы Европейского союза «Горизонт 2020» — нынешний этап этой крупной и успешной исследовательской работы — будет ее последней научной частью. Уже принято решение о создании на пространстве EC инфраструктуры для обеспечения дистанционного мониторинга окружающей среды на основе выполненных научных исследований, технических и методических разработок.
— Думаю, это пример качественной и эффективной научной работы.
— Наш институт проводит систематические наблюдения переноса загрязнений в атмосфере приборами дистанционного зондирования с 2002 г. Мы проводим регулярные лидарные и радиометрические наблюдения в атмосфере, используем данные спутниковых систем, моделируем процессы переноса загрязнений. Контроль качества воздуха в приземном слое на территории Беларуси проводит Гидромет (Республиканский центр по гидрометеорологии, контролю радиоактивного загрязнения и мониторингу окружающей среды) Минприроды Республики Беларусь.Об атмосферном воздухе в Минске и Беларуси: по данным станций Гидромета, качество воздуха в большинстве городов Беларуси оценивается как соответствующее установленным показателям. Есть факторы, которые ухудшают обстановку, а есть факторы, которые ее улучшают.
— Начнем с хороших новостей.
— Отопительные системы. Они переводятся на газ. Объем вредных выбросов значительно уменьшается по сравнению с использованием угля, мазута. Правда, на Украине и в Польше проблема качественного топлива остается актуальной.
— Транспорт. Много автомобилей и топлива с плохими экологическими показателями. Еще одна проблема — загрязнение атмосферы мелкими частицами с размерами меньше 1–5 мкм. Такие мелкие частицы беспрепятственно проникают в нашилегкие, в кровь, они очень вредны для нашего здоровья.
— Эти частицы возникают в атмосфере как результат фотохимических превращений, содержатся в выхлопных выбросах автомобилей и — очень много — в дымах лесных пожаров. Одно из самых вредных последствий трансграничного переноса загрязнений для Беларуси в весеннее-осенний период — перенос дымов лесных пожаров преимущественно с Украины и из западных районов России. — Экологические проблемы чрезвычайно важны, особенно сейчас. Когда такая измерительная сеть распространится дальше на восток ?
— Убежден, что, следуя примеру Европейского союза, нам необходимо создавать совместную сеть дистанционных наблюдений атмосферы на пространстве Союзного государства, привлекать заинтересованные организации других стран Евразии к решению этой актуальной проблемы. При этом, в отличие от Европы, на большей части евразийского пространства наземная инфраструктура для проведения измерений отсутствует. В таких условиях оптимальным способом построения дистанционной системы контроля атмосферы становится использование спутниковых данных вместе с результатами измерений сети наземных базовых станций, на которых проводятся комплексные локальные и дистанционные измеренияхарактеристик окружающей среды.
В 2004–2008 гг. мы выполнили проект, в результате которого организовали координированные лидарные наблюдения атмосферы на пространстве стран СНГ — лидарную сеть CIS-LiNet. В проекте участвовали ученые из Томска (Институт оптики атмосферы им. В.Е. Зуева СО РАН), Москвы (Институт прикладной геофизики им. Е.К. Федорова), научные группы из Сургута, Владивостока и из Кыргызстана. Работали вместе весьма эффективно и продолжаем сотрудничество в настоящее время.
К сожалению, отсутствуют механизмы формирования и выполнения таких крупных международных программ. Надеюсь, что ситуация поменяется в связи с интеграционными мероприятиями в рамках Евразийского экономического союза: например, создана Евразийская ассоциация поддержки научных исследований (ЕАПИ).
— Минск считается одной из лазерных столиц мира. Многое было сделано здесь впервые. Точка роста — ваш институт?
— Конечно. Здесь создавались лазеры для различных целей. Институт физики стал такой лазерной школой, где формировался уникальный коллектив исследователей, конструкторов и инженеров. Институт физики дал мощный толчок развитию лазерных технологий в Беларуси. Сейчас в Минске работают несколько организаций, производящих лазеры различного назначения: «Лотис ТИИ», «Солар ЛС» и другие. Качество, надежность и умеренная цена на лазерные системы, ставшие следствием здоровой конкуренции, отличают продукцию белорусских производителей. Большая ее часть идет на экспорт.
— А в чем основа успеха?
— В специалистах. Если есть специалисты, способные работать на хорошем мировом уровне, то все получится. Именно таких формировал Институт физики. Хочу напомнить, что институт создавался с участием ученых ленинградской оптической школы.
— Но все это продолжается?
— Конечно. Сотрудничество с российскими учеными — важный фактор для решения крупных проблем.
— Что вы имеете в виду?
— Новые проекты. Один из проектов, в котором сотрудничество с российскими учеными важно и необходимо, — исследования в Антарктиде.
В Антарктиде на белорусской научной станции «Гора Вечерняя» мы построили комплексную систему дистанционного мониторинга атмосферы и земной поверхности. Антарктида — это образец чистоты окружающей среды. В Минске по содержанию взвешенных частиц воздух считается чистым. Однако в Антарктиде содержание аэрозоля в атмосфере меньше в 10–20 раз.
Выше я говорил о другом проекте — формировании системы дистанционного мониторинга окружающей среды на евразийском пространстве. Решение этой задачи — необходимое условие устойчивого развития стран Евразии. Мы и нашироссийские коллеги — единомышленники в понимании необходимости и выборе методов решения этой проблемы.
Взгляд с космических высот
В томском Институте оптики атмосферы СО РАН им. В.Е. Зуева разработан широкий спектр научных приборов для лабораторных и натурных измерений аэрозольных, газовых, турбулентных и других характеристик атмосферы. О том, какие исследования проводятся в Томске, рассказал директор института доктор физико-математических наук Геннадий Григорьевич Матвиенко.
— В беседе с А.Б. Чайковским мы говорили о «наземном» использовании приборов и аппаратуры, с которой вы работаете вместе. А мне хотелось перенестись на космические высоты. Вы же смотрите на атмосферу не только снизу, но и сверху. Не так ли?
— Конечно. Особенно это актуально сейчас, когда и Беларусь вышла на орбиты. Я имею в виду запуск спутника Земли и программу работ по исследованию природных ресурсов из космоса.
— Вы же автор уникального проекта по мониторингу растительного покрова планеты!
— Это очень интересное исследование, Убежден, что к нему присоединятся специалисты не только Беларуси, но и других стран. Это ведь глобальный дистанционный контроль физиологического состояния растительности планеты. Это наблюдение и фиксация природных и техногенных катастроф, а также несанкционированной индустриальной деятельности. Проще говоря,из космоса будем наблюдать за изменениями в атмосфере, что позволит иметь более четкое представление о том, что происходит на Земле и как человеческая цивилизация влияет на изменения как в атмосфере, так и на поверхности.
— Но вы ведь в космосе работаете издавна?
— Еще в 1995 г. на станции «Мир» появился первый российский космический лидар «Балкан», который был создан Институтом оптики атмосферы, СКБ НП «Оптика» и НИИ космического приборостроения. Лидар вел зондирование облаков. Эксперимент был успешным. Однако он убедил нас в том, что следует отдать предпочтение автоматическим аппаратам. Дело в том, что на борту станции идет жесткая экономия энергии, а наша аппаратура требует ее достаточно много. Поэтому предпочтительнее работать на спутниках.
— Еще до запуска МКС я знакомился с программой научных исследований. Тогда предполагалось, что мы с американцами будем работать вместе. Была общая комиссия по отбору научных экспериментов. Ее возглавляли академик В.Ф. Уткин и астронавт Томас Стаффорд.Помню, по лазерному зондированию из космоса предлагалось несколько интереснейших экспериментов. Главными в них был Институт оптики атмосферы. Почему же не удалось их реализовать?
— Отсутствие финансирования — и только! Мы создавали соответствующую аппаратуру, прошли много этапов подготовки, но вынуждены были сначала заморозить работы, а потом и прекратить их. Из-за этого многие интереснейшие и нужные эксперименты были отложены. Сейчас мы восстановили контакты с «Энергией». Работаем по ряду проектов. В частности, разрабатываем прибор для точного определения места посадки космонавтов. В настоящее время разброс довольно велик, а наша аппаратура позволяет определять точку приземления — именно точку, а не район. Но все-таки сосредоточиваемся на аппаратуре для спутников. Сейчас разработан технический проект спутникалидара. Его отработка и запуск полностью зависят от финансирования, все остальное у нас есть.
— Интересно, а сколько приборов и аппаратуры создано в институте?
— Сказать точно не смогу. В целом — более сотни. Мы оснастили все исследовательские полигоны, пункты от Москвы до Владивостока, от Ямала до Алтая, от Якутии до Кыргызстана. Нами создана надежная наблюдательная сеть.
— А территорию западнее Москвы покрывают коллеги из Беларуси?
— Мы тесно сотрудничаем с ними буквально с первого дня, как был создан Институт физики в Минске.
— Союзное государство помогает вам?
— Конечно. Хочу отметить, что в Беларуси создаются отличные лазеры, самые надежные в мире — и к тому же достаточно дешевые, а потому мы закупаем их и широко используем.