Морские информационно-управляющие системы Май 2014, № 4 | Página 57
UNIS – The University Centre in Svalbard (Университетский центр на Шпицбергене) – основан
в 1993 году в результате кооперации университетов Осло, Бергена, Тромсё и Норвежского университета естественных и технических наук
(NTNU). Самое северное учебное заведение в мире,
расположенное в Лонгйирбюене, архипелаг Шпицберген (78° с. ш.), оснащено по последнему слову
техники. В университете ведется преподавание
по арктической биологии, геологии, геофизике
и технологии. Особое географическое положение
позволяет использовать окружающую природу
в качестве уникальной лаборатории, а также
сооружать «холодные» лаборатории, воссоздающие естественные арктические условия. UNIS
имеет научно-исследовательский флот, экспериментальные мастерские и производства.
сквозь толщу воды, лазерное излучение взаимодействует
с атомами и молекулами среды, порождая эхо-сигнал. Этот
сигнал распространяется преимущественно вперед и назад,
в том числе в точку, откуда был излучен импульс. При лидарном зондировании окружающей среды источник лазерного
излучения и приемник эхо-сигнала находятся в одной точке,
подобно тому как это принято в радиолокации.
Разные физические процессы океана порождают различные эхо-сигналы. Среди линейных (по энергии падающего
лазерного излучения) процессов наибольшую эффективность
по сигналу имеет флуоресценция органических примесей
и хлорофилла «а» фитопланктона (сечение возбуждения
до 10–18 мол./стерадиан). Каждая флуоресцирующая молекула
излучает сферически, с некоторым запаздыванием (до 100 нс)
по отношению к возбуждающему излучению. Поэтому временные характеристики эхо-сигнала флуоресценции в общем
случае не отражают пространственное распределение флуоресцирующих примесей по вертикали.
Далее по эффективности идет рассеяние Ми, то есть
«мгновенное» упругое рассеяние на частицах микропримеси, размер которых сравним с длиной волны зондирующего
излучения (0,1–5 мкм). Сечение рассеяния Ми имеет порядок 10-21–10-22 частиц/стерадиан. Рассеяние Ми происходит
преимущественно вперед, в сторону дна водоема.
Рассеяние Релея, вызванное флуктуациями температуры
(или энтропии) среды, также является упругим рассеянием
(то есть зондирующее и рассеянное излучение имеют одну
длину волны). Сечение рассеяния Релея имеет порядок
10-25–10-26 мол./стерадиан. Индикатриса рассеяния имеет
вид «гантели» – рассеяние одинаково эффективно «вперед»
и «назад». Отметим, что сечение рассеяния зависит от температуры воды, поскольку (так называемое соотношение
Ландау-Плачека) оно пропорционально фактору (1 – Сp/Cv),
где Сp – теплоемкость воды при постоянном давлении, Cvтеплоемкость воды при постоянном объеме. Обе теплоемкости являются функциями температуры, и, например, при
4°С (максимальная плотность воды) Cv = Cр, то есть сечение
рассеяния Релея обращается в ноль.
Наименее эффективным по величине сигнала из линейных
процессов является спонтанное комбинационное рассеяние (сечение рассеяния 10-28–10-32 мол./стерадиан). Этот вид
рассеяния вызван взаимодействием падающего на молекулу лазерного излучения с тепловыми колебаниями атомов
молекулы. В результате появляется электромагнитное излучение, частота которого равна р азности частот падающего
(лазерного) излучения и собственных колебаний атомов
в молекуле. Частоты собственных колебаний атомов в молекуле зависят от массы атомов и энергии их связи. Поэтому
для каждой молекулы, для каждого типа колебаний и для каждой группы атомов они свои. Это свойство широко используется в оптической спектроскопии и находит применение
в различных научных областях (химии, биологии, медицине).
В силу низкой эффективности спонтанного комбинационного рассеяния в дистанционном зондировании океана до настоящего времени удается зарегистрировать сигнал только
от валентных ОН-колебаний молекул воды (то есть колебаний атомов водорода вдоль связи водород-кислород). Этот
сигнал (интеграл по спектру) пропорционален концентрации
молекул воды в океане (то есть константа) и часто используется в качестве репера для калибровки сигналов флуоресценции органических примесей, что позволяет исключить
флуктуации сигнала, вызванные поверхностным волнением,
качкой судна, солнечными засветками. Форма спектра спонтанного комбинационного рассеяния воды зависит от температуры воды, что можно использовать для дистанционного
измерения вертикального профиля температуры.
No. 1 (4) / 2014, Морские информационно-управляющие системы
55