XIII Festiwal Nauki / LIDAR - laserowe badania atmosfery Ziemi

Jak zdalnie wykryć zanieczyszczenie powietrza? Jak mierzyć rozkład cząstek aerozolu? Dlaczego niebo jest niebieskie, a chmury są białe? I co powstanie, jeśli laser połączymy z radarem?

Odpowiedzi na te pytania poznali uczestnicy pokazu pt. "LIDAR - laserowe badania atmosfery Ziemi", zorganizowanego przez Wydział Fizyki Uniwersytetu Warszawskiego z okazji tegorocznego XIII Festiwalu Nauki.

W tajniki laserowych pomiarów wprowadzali mgr Karolina Jagodnicka i mgr Stanisław Chudzyński.

"Czy wiecie czym jest laser?" - pytała festiwalowych gości Jagodzińska. "To źródło światła generujące bardzo specyficzne wiązki. A wiecie, czym jest radar? To urządzenie, które wysyła falę radiową i wykorzystuje zjawisko jej odbicia do wykrywania różnego rodzaju obiektów. Więc, jeśli znacie już te dwa pojęcia, z pewnością zrozumiecie także, czym jest lidar" - opowiadała.

Lidar, jak wyjaśniła prowadząca, jest bowiem połączeniem lasera i radaru. Nazwa urządzenia pochodzi od angielskiego wyrażenia: Light Detection and Ranging. Zasada działania lidaru polega na wysyłaniu bardzo krótkich, silnych impulsów światła, o konkretnej długości fali i w określonym kierunku, a następnie rejestracji pochodzącego od nich echa optycznego. Emitowane światło ulega po drodze rozproszeniu, które jest obserwowane za pomocą teleskopu, znajdującego się w tym samym urządzeniu, a następnie rejestrowane za pomocą czułego detektora. Otrzymane dane są następnie analizowane komputerowo. Opóźnienie sygnału jest proporcjonalne do odległości obiektów rozpraszających światło, a jego natężenie jest miarą ich koncentracji.

Mgr Jagodzińska wyjaśniła, że każdy lidar jest zbudowany z kilku ważnych elementów: lasera, układu optycznego pozwalającego kierować wiązkę w wybranym kierunku, teleskopu, fotodetektora, filtra, przetwornika analogowo-cyfrowego i sterującego całością komputera. I choć podstawowy schemat budowy zawsze jest taki sam, to jednak istnieje wiele różnych typów lidarów: stacjonarne, mobilne, zainstalowane w samochodach, samolotach lub nawet w kosmosie.

W zależności od typu, urządzenia te można wykorzystywać m.in. do wyznaczania przejrzystości powietrza, badania koncentracji zanieczyszczeń w atmosferze (gazowych i pyłowych), analizy składu tych zanieczyszczeń, wykrywania obszarów o odmiennej temperaturze, pomiaru ruchów powietrza na dużych odległościach, śledzenia wysokości chmur itp. W przypadku zastosowania kilku wiązek światła o różnych długościach fali (czyli różnych kolorach) możliwy jest również pomiar rozkładu cząstek aerozolu.

Taki właśnie lidar mogli na własne oczy zobaczyć goście pokazu. Prowadzący omawiali poszczególne elementy jego konstrukcji i objaśniali mechanizm działania.

Uczestniczące w pokazie dzieci, wyposażone w specjalne okulary, mogły wszystkiego dotknąć, obejrzeć, a nawet pobawić się w poszukiwanie i łapanie wiązki laserowej. Dowiedziały się, dlatego w zależności od koloru tła, na które pada, wiązka ta przyjmuje różne kolory, a przy okazji nauczyły się kilku ważnych pojęć fizycznych, takich jak: rozpraszanie, polaryzacji, absorpcja, fluorescencja i efekt Dopplera.

Aby lepiej zobrazować funkcje lidarów, przydatnych do badania zjawisk atmosferycznych, fizycy wyprodukowali nawet własną chmurę. Posłużyła im do tego para wodna, unosząca się znad kubka z wrzątkiem. Po umieszczeniu parowego obłoczka w wiązce światła laserowego, dzieci same mogły zaobserwować pojawiające się na detektorze zmiany, świadczące o wykryciu obiektu.

Częścią pokazu była też prezentacja, należącego do Wydziału Fizyki UW - lidaru mobilnego. Urządzenie jest zamontowane w dużym samochodzie, dzięki czemu umożliwia wykrywanie zanieczyszczeń atmosfery w każdym zakątku Polski.

Na zakończenie prowadzący podkreślili, że najważniejszą zaletą techniki lidarowej, a jednocześnie cechą wyróżniającą ją spośród innych metod, jest możliwość dokonywania za jej pomocą pomiarów na odległość. W przypadku standardowych urządzeń stacjonarnych zasięg ten jest ograniczony do kilku kilometrów, ale niektóre lidary, np. te umieszczone w przestrzeni kosmicznej, na satelitach, mogą wykrywać obiekty oddalone nawet o setki kilometrów.

Źródło: PAP Nauka w Polsce