КРАТКИЙ ОЧЕРК НАУЧНОЙ, ПЕДАГОГИЧЕСКОЙ И ОБЩЕСТВЕННОЙ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ

Академик Владимир Евсеевич Зуев родился 29 января 1925 г. в деревне Малые Голы Качугского района Иркутской области в семье крестьянина. По окончании средней школы в 1942 г. начал трудовую деятельность забойщиком на золотоприиске треста "Байкалзолото".

С 1943 г. по 1946 г. В. Е. Зуев служил в Советской Армии в качестве старшего вычислителя штаба дивизиона артиллерийского полка и принимал участие в боях с японскими милитаристами. В 1945 г. он вступил в КПСС, был комсоргом дивизиона и заместителем комсорга полка.

После демобилизации в сентябре 1946 г. В. Е. Зуев поступил на физический факультет Томского государственного университета им. В. В. Куйбышева. С первых же курсов В. Е. Зуев включился в научно-исследовательскую работу на кафедре оптики и спектроскопии под руководством профессора Н. А. Прилежаевой, возглавлял научное студенческое общество ТГУ. Его студенческая научная работа по спектральному анализу минералов и руд была опубликована.

Проявленные в студенческие годы способности В. Е. Зуева как исследователя и организатора не остались незамеченными. После окончания университета он был оставлен в аспирантуре и избран секретарем партбюро объединенной партийной организации физического факультета университета и Сибирского физико-технического института. Успешно выполнив диссертационную работу по теме "Межмолекулярное взаимодействие в системе хинон-фенол", он защитил кандидатскую диссертацию в 1954 г. и остался работать ассистентом, а затем доцентом кафедры экспериментальной физики ТГУ.

Талант исследователя, педагогическое мастерство и активная общественная деятельность В. Е. Зуева выдвинули его в число ведущих ученых-физиков университета. Поэтому, когда в 1955 г. Сибирскому физико-техническому институту при Томском университете было поручено проведение исследований по распространению инфракрасного излучения в атмосфере, возглавить новое научное направление предложили В. Е. Зуеву. С присущим ему энтузиазмом и энергией он взялся за выполнение ответственного задания. В кратчайшие сроки организовал научную группу, и уже через год были получены первые результаты, нашедшие отражение в публикациях 1959 г.

В процессе создания нового научного коллектива и материальной базы для исследований уже в эти годы раскрывается многогранный талант В. Е. Зуева как ученого, педагога и организатора науки. Он обосновал и сформулировал научную программу комплексных исследований, включающую разработку и использование теоретических и экспериментальных методов исследования, одновременный учет всех физических явлений, определяющих взаимодействие видимых и инфракрасных волн с таким сложным и чрезвычайно изменчивым в пространстве и времени объектом, как земная атмосфера. Реализация этой программы обеспечила получение фундаментальных научных результатов, которые имели широкое практическое значение для решения актуальных в то время задач инфракрасной техники и метеорологических задач, связанных с переносом солнечного излучения через атмосферу. Убедительно обосновав актуальность и перспективность развиваемого им направления, В. Е. Зуев много работал по отбору и индивидуальной подготовке наиболее способных студентов, организовал на радиофизическом факультете Томского университета кафедру оптико-электронных приборов, которую возглавил в 1962 г. В 1964 г. он защитил докторскую диссертацию.

За эти годы в развиваемой В. Е. области науки сформировался крупнейший в стране научный коллектив, который получил статус лаборатории инфракрасных излучений Сибирского физико-технического института. Научные публикации в центральной печати, постоянное участие во всесоюзных конференциях и совещаниях обеспечили возглавляемому В. Е. коллективу широкую известность. В монографии В. Е. Зуева "Прозрачность атмосферы для видимых и инфракрасных лучей" (1966) впервые в нашей стране и за рубежом были обобщены результаты исследований по проблеме. Определяющее место в материалах монографии заняли результаты исследований, выполненных в лаборатории, возглавляемой В. Е. Монография в 1970 г. была переведена на английский язык и издана за рубежом.

В начале 60-х годов в ряде научных лабораторий мира появляются лазерные источники излучения. К середине 60-х годов технология создания лазеров была освоена в такой степени, что оказалась доступной для многих лабораторий физического профиля. В. Е. Зуев, учитывая заманчивые возможности лазерного излучения для целей глубоких исследований взаимодействия света с веществом, уже в 1964 г. организовал в своей лаборатории отдельную группу по лазерам.

В 1965 г. с помощью созданных в лаборатории гелий-неоновых лазеров были проведены первые эксперименты по распространению лазерного излучения в рассеивающих и поглощающих средах, моделирующих разнообразные атмосферные условия. Эти эксперименты привели к обнаружению принципиально важного эффекта переноса яркостного контраста для лазерных пучков на аномально большие оптические глубины в рассеивающих средах, получению количественных данных о коэффициентах ослабления в атмосфере для лазеров с различными длинами волн. Пионерские результаты этих исследований получили широкое признание и привлекли внимание многих ученых.

В 1969 г. в Томске был создан Институт оптики атмосферы СО АН СССР. Его возглавил В. Е. Зуев. Формирование научного коллектива вновь созданного института на базе ранее сформированного им коллектива лаборатории инфракрасных излучений СФТИ позволило В. Е. Зуеву организовать непрерывное продолжение и развитие научных исследований по распространению оптического излучения в атмосфере.

В 1970 г. вышла в свет монография В. Е. Зуева "Распространение видимых и инфракрасных волн в атмосфере", в которой подведены итоги исследований в СССР и за рубежом по распространению теплового и лазерного излучения в атмосфере. Значительное место в монографии отведено исследованиям коллектива лаборатории СФТИ и вновь созданного Института оптики атмосферы за более чем десятилетний период работы.

Монография "Распространение видимых и инфракрасных волн в атмосфере" была переведена на английский язык и дважды (в 1972 и в 1974 гг.) издавалась за рубежом.

В 1970 г. В. Е. Зуев был избран членом-корреспондентом Академии наук СССР.

С созданием Института оптики атмосферы СО АН СССР начинается новый еще более интенсивный и плодотворный этап научно-педагогической деятельности В. Е. Зуева. Наряду с дальнейшим развитием ранее созданных научных направлений по распространению оптического излучения (включая лазерное) в атмосфере была поставлена задача и сформирован научный коллектив по разработке методов и средств лазерного зондирования с целью дистанционного измерения любых физико-химических параметров атмосферы. Обоснование основных задач и разработанных к этому времени методов их решения с помощью лазерных локаторов (лидаров) содержится в книгах В. Е. "Лазер покоряет небо" (1972) и "Лазер-метеоролог" (1974).

В отличие от имеющегося к этому времени опыта зарубежных научных групп по лазерному зондированию атмосферы , В. Е. Зуев развивает комплексный подход к решению новой проблемы. С этой целью он, опираясь на своих учеников, укрепляет группы по физическим основам зондирования, лазерную группу, а также формирует новые научные группы по методам решения некорректных задач при лазерном зондировании, по автоматизации физического эксперимента. Для технической реализации методов лазерного зондирования и других атмосферно-оптических измерений в 1972 г. было создано специальное конструкторское бюро научного приборостроения "Оптика".

В 1970 г. для привлечения к новой комплексной проблеме широкого круга ученых и специалистов СССР, а также для координации усилий различных учреждений страны по инициативе В. Е. Зуева в Томске состоялся Первый всесоюзный симпозиум по лазерному зондированию атмосферы. С тех пор эти симпозиумы проводятся в Томске и до настоящего времени с периодичностью раз в два года. Кроме того, систематически проводятся также всесоюзные симпозиумы по распространению лазерного излучения в атмосфере (в Томске) и всесоюзные симпозиумы по молекулярной спектроскопии высокого и сверхвысокого разрешения (в Новосибирске).

Возглавляемый В. Е. Зуевым Институт оптики атмосферы СО АН СССР с первых лет стал ведущей научной организацией в стране по проблемам распространения оптического излучения в атмосфере, по методам лазерного зондирования атмосферы и по спектроскопии атмосферных газов.

Наряду с дальнейшим расширением и углублением фундаментальных исследований традиционно большое внимание В. Е. Зуев уделяет быстрейшему внедрению научных достижений в народное хозяйство, проведению широкомасштабных работ по хоздоговорам с промышленными предприятиями.

Незаурядные организаторские способности В. Е. Зуева проявились в эти годы не только в его научно-исследовательской и педагогической работе, но и в научно-организационной и общественной деятельности.

В 1971 г. он был избран членом Президиума СО АН СССР и назначен уполномоченным по Томскому научному центру СО АН СССР (1970 г.), в состав которого к этому времени входило два академических института (оптики атмосферы и химии нефти) и с 1972 г. СКБ научного приборостроения "Оптика". В. Е. Зуеву пришлось решать задачи, связанные с проектированием и строительством Томского академгородка. В 1975 г. председатель Сибирского отделения АН СССР академик М. А. Лаврентьев в торжественной обстановке вручил В. Е. Зуеву символический ключ от первенца академгородка - главного корпуса Института оптики атмосферы СО АН СССР. Одновременно были сданы в эксплуатацию и первые жилые дома. Талант В. Е. Зуева как крупного организатора блестяще проявился и продолжает проявляться в нелегком деле развития Томского научного центра СО АН СССР. По его инициативе в 1979 г. на базе трех институтов и СКБ "Оптика" был создан Томский филиал СО АН СССР. К настоящему времени при решающем участии В. Е. Зуева как руководителя Томского филиала СО АН СССР сформирован крупнейший научно-производственный комплекс из четырех институтов (оптики атмосферы, химии нефти, сильноточной электроники, физики прочности и материаловедения), СКБ "Оптика", отдела экспериментальных геофизических исследований Института геологии и геофизики СО АН СССР, лаборатории бонитировки почв Института почвоведения и агрохимии СО АН СССР и общих служб филиала. Постоянной заботой В. Е. с самого начала является гармоничное развитие академгородка, включающее создание материально-технической базы всех учреждений, улучшение жилищно-бытовых условий сотрудников, расширение коммунальных услуг и спортивной базы, количественный и качественный рост возможностей детских и школьных учреждений и многое другое.

В 1971 г. В. Е. Зуев был избран членом Томского обкома КПСС. В 1972 г. по его предложению при обкоме КПСС создан Совет по координации научных исследований. Организация работы путем формирования и последующего выполнения региональных комплексных целевых программ, направленных на развитие производительных сил Томской области с подключением к выполнению всего научного потенциала региона приносит свои положительные результаты. Особенно успешно работа выполняется по целевым программам "Автоматизация научных исследований и технологических процессов" и "Порошковая металлургия", инициированные и возглавляемые Институтом оптики атмосферы СО АН СССР. Положительный "томский" опыт получил широкое освещение в центральной прессе, с рядом статей и докладов на эту тему выступил В. Е. Зуев.

В 1970 г. В. Е. Зуев был избран депутатом Верховного Совета СССР и вошел в Комиссию по охране окружающей среды. Как депутат Верховного Совета СССР трех созывов В. Е. Зуев включался в состав парламентских делегаций, выезжавших в Швейцарию (1979 г.), Нигерию (1982 г.), Италию (1982 г.).

Несмотря на огромную научно-организационную и общественную деятельность, В. Е. Зуев активно участвует в проведении научных исследований и подготовке научных кадров. К настоящему времени им подготовлено 20 докторов наук и более 60 кандидатов наук.

В области распространения оптического излучения в земной атмосфере в 70-е годы В. Е. Зуев основное внимание уделял таким ключевым проблемам атмосферной оптики, как спектроскопия атмосферных газов, аэрозольное рассеяние, распространение оптических волн в турбулентной атмосфере и нелинейные эффекты при взаимодействии лазерного излучения с атмосферой. Результаты исследований были обобщены в монографии "Перенос оптических сигналов в земной атмосфере (в условиях помех)" (совместно с М. В. Кабановым, 1977).

В эти годы под руководством В. Е. была создана целая серия лазерных спектрометров, с помощью которых удалось получить неискаженные аппаратной функцией спектры поглощения атмосферных газов в отдельных участках спектра, изучить влияние температуры и давления на форму контура линий вблизи центра и на периферии. Автоматизация лабораторных экспериментов и высокая чувствительность методов обеспечили получение сотен ранее неизвестных линий поглощения, а разработанные к этому времени одним из его учеников Ю. С. Макушкиным теоретические методы исследований - идентификацию этих линий.

Научные интересы В. Е. Зуева в области распространения оптических волн в аэрозольной и турбулентной атмосфере в этот период многогранны. Но особое внимание он уделяет вопросам распространения лазерного излучения (в том числе мощного лазерного излучения) в атмосфере и быстрейшему внедрению в народное хозяйство полученных им и его сотрудниками научных результатов. Он непосредственно участвует в разработке, создании и исследовании лазерных навигационных устройств для посадки самолетов и проводки морских и речных судов в условиях ограниченной видимости в атмосфере. В основу этих устройств был положен принцип наблюдения прямого излучения лазерных пучков (навстречу лучу), который следует из ранее обнаруженного эффекта переноса контраста яркостей прямого и рассеянного лазерного излучения на аномально большие оптические глубины. Под руководством В. Е. Зуева в Институте оптики атмосферы и СКБ "Оптика" были созданы стационарные и передвижные комплексы аппаратуры для оперативной диагностики оптических свойств атмосферы, разработаны методики учета влияния атмосферы на эффективность работы оптико-электронных приборов. Результаты научных исследований отражены в статьях и монографиях В. Е., в том числе в фундаментальной монографии "laser beams in the atmosphere", заказанной международным издательством "Плинум" (Нью-Йорк, 1982), а также в монографии "Распространение лазерного излучения в атмосфере" (М., 1981).

В области дистанционного зондирования атмосферы в 70-е годы В. Е. Зуев большой интерес проявлял к разработке и исследованиям лазерного и акустического метода зондирования. Наряду с лазерными методами, основанными на эффектах аэрозольного рассеяния, он руководил разработкой методов, основанных на эффектах спонтанного комбинационного рассеяния, методов дифференциального поглощения и других. Одновременное внимание к физическим основам зондирования, математическим аспектам решения обратных задач зондирования, а также к техническим решениям обеспечило получение уникальных и рекордных результатов лазерного зондирования по многим параметрам атмосферы. По заказу международного издательства "springer" В. Е. Зуев обобщил результаты проведенных исследований в отдельной главе коллективной монографии "Лазерный контроль атмосферы" (русский перевод - издательство "Мир", 1979), а также в заказной монографии "Inverse problems of lidar sensing of the atmosphere" ("Springer - Verlag", 1983), написанной в соавторстве с И. Э. Наацем и опубликованной в издательстве "Наука" в 1982 г. С помощью созданной под руководством В. Е. Зуева серии лидаров проводились уникальные исследования по физике атмосферы и аэрозольных загрязнений в различных географических районах СССР. Один из аэрозольных лидаров был передан в Болгарскую академию наук, что послужило началом совместных советско-болгарских исследований в рамках комплексной целевой программы, которые продолжаются до настоящего времени. Координатором этой программы с советской стороны является В. Е. Зуев.

Постоянное стремление В. Е. Зуева и поиск путей к тесному сотрудничеству с промышленными предприятиями страны обеспечивает быстрейшее внедрение научных результатов и разработок Института оптики атмосферы АН СССР и СКБ "Оптика". По его инициативе был передан в промышленность двухволновой поляризационный аэрозольный лидар "ЛОЗА-3". В 1980 г. была выпущена первая промышленная серия лидаров. Под руководством В. Е. Зуева продолжается модернизация выпускаемых лидаров и их модификаций.

Наряду с проведением фундаментальных и прикладных исследований по основным научным направлениям Института оптики атмосферы АН СССР по инициативе и с личным участием В. Е. Зуева развиваются работы по автоматизации научных исследований и разработке перспективных для решения задач атмосферной оптики лазеров на парах металлов. Современный высокий уровень автоматизации приборов, управления и обработки сигналов при сложных натурных исследованиях в атмосфере обеспечил решение многих задач атмосферной оптики, успешное развитие и применение методов дистанционного зондирования различных физико-химических параметров атмосферы. Применение разработанных в ИОА и СКБ "Оптика" лазеров на парах металлов обеспечило эффективное развитие многих методов лазерного зондирования атмосферы, разработку перспективных устройств лазерной навигации, получение уникальных результатов по распространению лазерного излучения в атмосфере.

Научные достижения В. Е. Зуева и коллектива возглавляемого им института получили широкую международную известность. В значительной степени этому способствуют постоянные международные связи В. Е. Зуева, посетившего ведущие научные учреждения по атмосферной оптике и смежным дисциплинам (всего 18 стран). Он систематически выступает с докладами на международных форумах ученых (международные конференции и симпозиумы по лазерному зондированию атмосферы, ассамблеи Международной ассоциации по метеорологии и физике атмосферы, генеральные ассамблеи Международного геодезического и геофизического союза и многие другие), с лекциями на международных школах и т. д. Много лет подряд В. Е. Зуев избирался членом Международной комиссии по радиации. С 1975 по 1983 г. он член Исполнительного комитета Международной ассоциации по метеорологии и физике атмосферы. В 1976 г. В. Е. был избран почетным членом Американского оптического общества, в 1982 г.- членом Исполкома Комиссии А по проблемам исследования климата космическими средствами КОСПАР. С основания (1978 г.) международного журнала "Fiber optics" (New York) В. Е. Зуев является членом его редколлегии. В 1983 г. по предложению Международного издательства "Рейдел" (Голландия) В. Е. Зуевым и его сотрудниками начата подготовка библиотеки по современным проблемам атмосферной оптики, состоящей из восьми монографий и рассчитанной на издание в течение нескольких лет. К настоящему времени две монографии из этой серии подготовлены и сданы для публикации.

ОБЗОР НАУЧНЫХ РАБОТ

Распространение видимого и инфракрасного излучения в атмосфере В. Е. Зуевым получен ряд значительных результатов по проблеме распространения теплового излучения через атмосферу. С этих работ и начались интенсивные исследования В. Е. Зуева в атмосферной оптике.

Функции пропускания атмосферы. В конце 50-х годов в атмосферной оптике возникла несколько парадоксальная ситуация. Уже была хорошо понята важность процессов взаимодействия излучения и атмосферы для проблемы радиационного баланса планеты, появились практические задачи. И при решении нового комплекса вопросов явно недостаточно было только простейших качественных сведений. Однако все (или почти все) количественные оценки базировались на данных, которые получены были во времена весьма отдаленные, а сами измерения не являлись сколько-нибудь систематическими. Поэтому оказалось необходимым наладить такие серийные полигонные измерения функции пропускания атмосферы, итоги которых дали бы обширный и надежный материал. Активным участием в решении проблемы оказалось создание полигона с довольно представительным набором трасс в окрестностях Томска.

Состояние вопроса было таковым, что параллельно пришлось разрабатывать и создавать необходимую аппаратуру, методику измерений. Непременным условием была надежная и репрезентативная статистика измерений - только тогда можно было сориентироваться среди многочисленных атмосферных факторов, влияющих на прозрачность атмосферы для видимых и инфракрасных волн.

Мы столь подробно остановились на этом, в сущности, начальном этапе научной деятельности В. Е. Зуева совершенно сознательно - сопоставление ситуации конца 50-х годов с современным уровнем атмосферной оптики (читатель легко представит его из последующих страниц) делает вполне уместными термины "революция", "качественный скачок", "превращение в реальную производительную силу" и т. п. И значительная роль в этом процессе принадлежит В. Е. Зуеву и созданному им научному коллективу.

Теория функций поглощения. В 1961 -1964 гг. была, по существу, пересмотрена основная задача атмосферной спектроскопии долазерного периода - задача о функции поглощения, когда спектр образует группа перекрывающихся линий и излучение распространяется в общем случае вдоль неоднородной трассы. Создание весьма гибкого математического приема позволило устранить наслоение ряда ошибок, искажавших физическую картину задачи, а четкое уяснение ее общих закономерностей предоставило возможность найти простые и надежные методики расчета. Полученный числовой материал почти полностью удовлетворил тогдашние запросы, причем именно понимание физических и математических свойств задачи позволило эффективно использовать весьма посредственную (особенно с современной точки зрения) исходную спектроскопическую информацию.

Спектральная прозрачность облаков, туманов и атмосферных дымок. В 60-е годы решение задачи о прозрачности аэрозольной составляющей облаков и туманов осложнялось систематическим и весьма значительным расхождением расчетных и экспериментальных данных. Физическое содержание проблемы не давало повода подозревать какие-либо "неизвестные факторы". Под руководством В. Е. Зуева анализу были подвергнуты все элементы задачи: поставлены эксперименты в хорошо контролируемых условиях камеры искусственных туманов, создан простой метод вычисления спектральной прозрачности, эффективно использующий общие теоремы теории дифракции, тщательно рассмотрены способы фиксации микроструктуры аэрозоля.

Итоги работы исчерпали проблемы, и ныне вопрос о спектральной прозрачности аэрозольной составляющей облаков и туманов является чисто техническим. В последующие годы систематически публиковались полученные В. Е. Зуевым результаты вычислений прозрачности аэрозольной составляющей атмосферы для самых разнообразных метеорологических условий, геометрических схем расположения трасс и длин волн.

Первые выводы об оптических свойствах атмосферной дымки были сделаны еще при обсуждении результатов полигонных измерений функции пропускания. На несравненно более высоком уровне эти исследования продолжаются и по сей день. Фактические данные, полученные в итоге методически четко поставленных, глубоко аргументированных экспериментов, для качественного исполнения которых разрабатывались и создавались специальные аппаратура и методики, позволили сделать вывод о том, что свойства аэрозоля - "оптическая погода" - очень сильно влияют на погоду метеорологическую. "Визитную карточку" проблемы определяют технические трудности контактных измерений характеристик аэрозоля - слишком изменчивы и многообразны возможные варианты; поэтому статистика измерений спектральных свойств аэрозоля и интерпретация их результатов составляет методику решения. Естественно, что при таком подходе, особенно в обстановке дефицита информации о микроструктуре аэрозоля, физическая интуиция оказывается почти определяющим элементом анализа. И конечные результаты, полученные В. Е. Зуевым и его учениками (С. Д. Твороговым, М. В. Кабановым, С. С. Хмелевцовым и др.), прекрасно иллюстрируют это.

Итогом этой большой работы стали модели аэрозольной компоненты атмосферы, модели ее оптических свойств. Совершенно очевидно значение таких моделей и для понимания природы атмосферного аэрозоля и для целого ряда практических предложений. Основу для построения моделей составили накопленные экспериментальные факты, данные других авторов и тщательное их сопоставление. Следует подчеркнуть, что модель оказалась физическим инструментом - она качественно связывает оптические свойства с метеорологическими параметрами, а не просто служит сводкой статистической обработки материала.

Важным дополнением оказались развернутые по инициативе В. Е. Зуева измерения комплексного показателя преломления тех веществ, из которых могут состоять аэрозольные частицы.

Распространение лазерного излучения в атмосфере

В решении проблемы лазерного луча в атмосфере наиболее ярко и плодотворно оказался реализованным постоянно развиваемый В. Е. Зуевым комплексный подход - экспериментальные и теоретические исследования совокупности всех факторов, определяющих физику взаимодействия излучения и атмосферы (в том числе нелинейные эффекты в сильном поле, влияние турбулентности атмосферы и т. д.). Даже простое перечисление полученных результатов значительно увеличило бы рамки обзора. Поэтому остановимся на таких вопросах, где научный вклад В. Е. Зуева был определяющим или значительным.

Прозрачность атмосферы для лазерного излучения. Были получены, по существу, первые количественные результаты о коэффициенте ослабления лазерного излучения в реальной атмосфере. Необходимо подчеркнуть оперативную постановку проблемы - на основе самостоятельно изготовленных СКБ "Оптика" лазеров исследования проводились задолго до появления стабильных промышленных образцов. Были измерены довольно подробные спектры поглощения атмосферы в области рабочих длин волн ряда лазеров с помощью специально разработанных приемов перестройки частоты излучения. Исследования сопровождались лабораторными измерениями и прямыми сопоставлениями с данными о распространении теплового излучения для тех же, что и у лазеров, или близких к ним длин волн.

Полученная количественная информация послужила одной из основ при решении важнейшего вопроса - выделения того круга лазеров, применение которых наиболее перспективно в практических приложениях атмосферной оптики и для исследования атмосферных процессов.

Разумеется, это далеко не единственный результат исследований, вызвавших в свое время значительный резонанс и пристальный интерес специалистов, занятых самыми разнообразными проблемами атмосферной оптики.

Научная сторона проблемы лазерного луча в атмосфере связана с весьма примечательным моментом. Дело в том, что в теории распространения света в поглощающей и рассеивающей среде обычно рассматривается источник поля, который по принятой ныне в квантовой оптике терминологии следует назвать "идеальным лазером". Казалось бы, переход от теплового излучения к лазерному только улучшает возможность сравнения теоретических и экспериментальных данных. Однако всегда существующие у излучения тепловых источников достаточно широкие частотные и пространственные спектры и деполяризация неизбежно затушевывают многие тонкости взаимодействия поля и вещества - те самые детали, которые неожиданно могут стать и объектом пристального исследования и предметом практических приложений. Эта идея, выдвинутая и обоснованная В. Е. Зуевым, легла в основу работ по распространению лазерного излучения в атмосфере.

Как иллюстрацию можно привести исследования вопроса о влиянии турбулентности атмосферы на пространственную когерентность лазерного излучения. Другой пример - выявление всякого рода "маленьких парадоксов" в зависимости контура линий от термодинамических параметров.

В сфере пристального внимания В. Е. Зуева постоянно находятся работы по нелинейной атмосферной оптике. В Институте оптики атмосферы СО АН СССР были выполнены первые исследования тепловых эффектов, возникающих в аэрозоле, помещенном в мощное лазерное поле. Одним из главных результатов этой большой работы было доказательство превалирующей роли тепловых эффектов в нелинейной оптике аэрозоля. Следует подчеркнуть важнейший методический элемент - широко развернутые сложнейшие эксперименты.

В ряде опубликованных монографий и статей (совместно с А. В. Кузиковским, А. А. Земляновым, Ю. Д. Копытиным и др.) были обсуждены главные детали физической картины явления: режимы испарения капель и их взрыв; введено и исследовано понятие "фронт волны просветления" и т. д. Интересными оказались эксперименты, доказывающие вероятность горения под действием лазерного света твердых частиц в "холодном" воздухе - сама возможность поверхностных химических реакций в подобных условиях считалась до этих работ весьма проблематичной.

Для атмосферных газов впервые были сделаны оценки вероятности многофотонного поглощения и эффекта насыщения, причем главное внимание было сосредоточено на том, как эти явления могут реально повлиять на спектральную прозрачность атмосферы.

Распространение узких пучков. Еще при работе с тепловым излучением В. Е. Зуевым и М. В. Кабановым была установлена интересная особенность направленных световых пучков - слабое влияние на их характеристики многократно рассеянного света даже в оптически достаточно плотных средах. Последующие применения лазеров предоставили возможность существенно уточнить всю картину.

Физическая картина явления примечательна и поясняет общие закономерности "проходящей волны", возникающей при интерференции внешней и рассеянной вперед. До выполненных В. Е. Зуевым и его учениками работ было неизвестно, что для "проходящей волны" закон Бугера в рассеивающих средах применим до очень больших расстояний. Поставленные по специальной методике эксперименты позволили разобраться в структуре тех характеристик рассеянного излучения, которые достаточны для понимания проблемы.

Один из главнейших результатов - эффект сохранения качества изображения (контраста яркости), переносимого узким пучком в рассеивающей среде даже при значительной ее оптической плотности. Практические приложения здесь столь очевидны, что вряд ли необходимы какие-либо комментарии. Сейчас уже созданы работающие системы для навигации судов и посадки самолетов в сложных метеорологических условиях, и в основу их работы положен этот эффект.

Спектроскопия атмосферных газов. В работах В. Е. Зуева было показано, что проблема распространения лазерного излучения диктует необходимость качественно нового этапа в задаче о поглощении света атмосферными газами - радикального улучшения точности выполнения спектральных характеристик линий поглощения (их положения, интенсивности, контура).

Следует подчеркнуть одно существенное обстоятельство. Непременной целью теоретических спектроскопических методов всегда объявлялись точные вычисления характеристик спектра, однако существует соблазн ограничиться уяснением определенных качественных закономерностей, скомпенсировав эмпирическими постоянными все то, что "мы не умеем делать", особенно для сколько-нибудь сложных молекул. Недостаточность такого компромиссного варианта была убедительно показана В. Е. Зуевым, что привело к развитию методов, целенаправленно ориентированных на точность расчета положения линий, их интенсивности и контура.

Уже первые экспериментальные работы В. Е. Зуева по исследованию поглощения лазерного излучения в атмосфере продемонстрировали непригодность прежней спектроскопической информации, полученной на классических спектрометрах с низким разрешением, для описания затухания квазимонохроматического света. В связи с этим возникла задача создания экспериментальных методов изучения тонкой структуры спектров поглощения атмосферных и загрязняющих ее газов, методов, опирающихся на те широкие возможности, которые представляет сам лазер.

Спектроскопия

Проблемы спектроскопии всегда непосредственно интересовали В. Е. Зуева. О некоторых его результатах в этой области речь уже шла ранее, и к ним можно добавить, что первые научные статьи Владимира Евсеевича были посвящены обсуждению межмолекулярного взаимодействия. Остановимся на наиболее значительных результатах В. Е. Зуева и его учеников в деле создания лазерной и теоретической спектроскопии.

В 1970 г. В. Е. Зуевым (совместно с В. П. Лопасовым) был разработан метод скоростной лазерной спектроскопии и создан спектрометр с многоходовой газовой кюветой на основе рубинового лазера со свипированием частоты. На этом спектрометре были выполнены исследования спектра поглощения атмосферного водяного пара с разрешением, более чем на порядок превосходящим разрешения лучших классических спектрометров. Наряду с методом скоростной лазерной спектроскопии развивались методы оптико-акустической и внутрирезонаторной спектроскопии, обеспечивающие высокую чувствительность и высокое спектральное разрешение. Эти исследования привели к созданию принципиально нового класса приборов - лазерных спектрометров высокого и сверхвысокого разрешения на основе лазеров с узкой (0,001 см-1) линией излучения, перестраиваемых по частотам. Спектрометры оснащены системами автоматической регистрации и обработки информации на ЭВМ.

В. Е. Зуевым с сотрудниками проведены обширные комплексные исследования спектров поглощения атмосферных и примесных газов в видимой и ближней инфракрасной областях спектра. Высокая чувствительность разработанной уникальной спектральной аппаратуры позволила зарегистрировать большое число неизвестных ранее линий и колебательно-вращательных полос. Их интерпретация существенно дополнила и уточнила многие тонкости потенциала внутримолекулярных квантовых взаимодействий.

Эффективные проблемы перестройки частоты излучения и уменьшения ширины спектра предоставили возможность непосредственной записи контура линии в оптической области. Были обнаружены некоторые особенности контура при эффекте насыщения и контура для тех давлений, когда столкновения уже влияют на допплеровское уширение.

В области теоретической спектроскопии В. Е. Зуевым были четко сформулированы, всесторонне обоснованы и поставлены две задачи, определившие на длительное время направление работы созданного В. Е. Зуевым коллектива теоретиков-спектроскопистов.

Первая задача - точный квантовомеханический анализ внутримолекулярных взаимодействий, его применение к спектрам атмосферных газов и последующий поиск новых возможностей спектроскопических методов в решении проблем атмосферной оптики (лазерное зондирование, газоанализ, распространение лазерного излучения и т. д.). Усилиями учеников В. Е. Зуева (Ю. С. Макушкин, В. Г. Тютерев, О. Н. Улеников и др.) было создано целое научное направление - теория расчетных методов в молекулярной спектроскопии. Понимание проблемы оказалось продвинутым столь далеко, что появилась возможность поручать ЭВМ аналитические вычисления, т. е. фактически сам вывод весьма громоздких соотношений между характеристиками спектра и внутримолекулярного потенциала.

Вторая задача - теория далеких крыльев спектральных линий как спектроскопия межмолекулярных взаимодействий с тем же (как и в первой задаче) продолжением. Анализ, выполненный С. Д. Твороговым, показал, что в крыле линии возникают весьма специфические зависимости коэффициента поглощения света от частоты и термодинамических параметров среды, закономерности, совершенно непохожие на те, которые господствуют в центре спектральной линии. И эти моменты существенны, когда речь идет об устранении молекулярного поглощения при вычислении аэрозольной составляющей прозрачности атмосферы из экспериментальных данных о полной прозрачности, при расчете интенсивности уходящего излучения, при оценке дальности действия лазеров в атмосфере. В. Е. Зуевым (совместно с В. В. Фоминым) показана эффективность развития методик в проблеме спутникового зондирования атмосферы по ее уходящему излучению.

Лазерное зондирование атмосферы

Во второй половине 60-х годов, когда еще широким фронтом велись фундаментальные исследования закономерностей распространения лазерного излучения в атмосфере, В. Е. Зуев поставил новую проблему - использование лазеров для получения оперативной информации об атмосфере. Разумеется, постановка "обратной задачи" является естественным продолжением "прямой". Но главным аргументом оказались практические потребности, связанные с контролем загрязнений атмосферы, проблемой повышения достоверности прогнозов погоды и искусственного регулирования климата, решением вопросов безаварийной посадки воздушных судов в сложных метеорологических условиях и ряд других. При этом необходимы и непосредственные оперативные измерения соответствующих параметров атмосферы и большое количество данных об основных характеристиках атмосферы Земли по всей ее высоте. В те же годы стало ясно, что традиционные способы сбора информации об атмосфере не в состоянии справиться с лавиной новых требований и запросов.

Замысел В. Е. Зуева состоял в том, чтобы, используя специфические свойства лазерного излучения и многообразие эффектов его взаимодействия с аэрозольно-газовой средой, создать принципиально новые дистанционные методы измерения параметров атмосферы, методы, которые по своим возможностям существенно превосходили бы традиционные контактные приемы. При решении этой масштабной проблемы снова была продемонстрирована главная методическая черта исследований В. Е. Зуева - комплексный подход. Для выяснения и обоснования физических принципов лазерного зондирования были широко использованы методы численного моделирования, ставились эксперименты в модельных и естественных условиях, разрабатывалась теория решения обратных задач, проводился поиск оптимальных методов приема и регистрации лидарных сигналов, отрабатывались технические решения при создании высокоавтоматизированных лидарных систем. Такой подход позволил коллективу Института оптики атмосферы СО АН СССР в кратчайший срок (к 1970 г.) занять передовые рубежи в области лазерного зондирования атмосферы.

Зондирование аэрозолей. Большой цикл работ связан с пониманием физических основ лазерного зондирования характеристик аэрозоля. Внимательному анализу были подвергнуты закономерности отражения непрерывного импульсного лазерного излучения видимого и инфракрасного диапазонов от модельных рассеивающих сред. Численные эксперименты на ЭВМ (совместно с Г. М. Крековым) и исследования в лабораторных и натурных условиях (совместно с М. В. Кабановым, И. В. Самохваловым и др.) позволили обсудить границы применимости наиболее простых по своей структуре уравнений лазерного зондирования, вычислить роль эффектов многократного рассеяния в формировании отраженного сигнала и оценить технические характеристики лидара для дистанционного определения прозрачности атмосферы, вертикальных профилей коэффициентов аэрозольного рассеяния, высоты нижней границы облачности.

Одним из принципиальных моментов проблемы, который в значительной степени предопределяет информативность лазерно-локационных методов, оказывается преодоление известной "неопределенности ситуации" - один измеряемый сигнал содержит две неизвестных величины (т. е. лидарное отношение и коэффициент ослабления интенсивности). В. Е. Зуевым были выдвинуты идеи использовать многократно рассеянный свет (ранее он рассматривался только как помеха) и вскрыть те потенциальные возможности, которые должны быть у поляризационного и многочастотного зондирования.

Теория поляризационного зондирования разрабатывалась с 1972 г. совместно с Г. М. Крековым, И. В. Самохваловым, Б. В. Каулем и др. Было выведено уравнение лазерного зондирования с учетом второй кратности рассеяния и поляризационных эффектов и показано, что поляризационные характеристики отраженного сигнала непосредственно связаны с агрегатным состоянием диспергированного вещества, формой частиц, преимущественной ориентацией несферических частиц и т. п. Рассеянное назад излучение (как выяснилось, его можно выделить из общего сигнала) предоставляет возможность оценить параметры микроструктуры аэрозольного образования. Эти теоретические результаты полностью подтвердились в первых экспериментах по зондированию внутренней структуры облаков самолетным поляризационным лидаром. Всего лишь три параметра эхо-сигнала (начальное значение степени деполяризации на границе облака, градиент деполяризации по глубине облака и временной сдвиг между параллельной и кросс-поляризованной компонентами эхо-сигнала) позволяют оценить плотность облака, его водность и сделать заключение о фазовом составе. Метод поляризационного зондирования успешно использовался для исследования свойств стратосферного аэрозоля на высотах 10-30 км. Был получен интересный результат, существенно расширяющий представления о стратосферном аэрозоле: данные измерений можно интерпретировать, если только допустить существование в стратосфере анизотропных, преимущественно ориентированных частиц.

Многочастотное зондирование позволяет определить физико-химические характеристики аэрозоля, его микроструктуру. Формальная сторона задачи очень сложна, и В. Е. Зуеву совместно с И. Э. Наацем пришлось, по существу, создать теорию необходимых методов. Важнейшими элементами задачи в целом оказались замкнутые численные эксперименты (совместно с Г. М. Крековым) и широкая контрольная апробация конкретных методик на Томском полигоне. Исследование аэрозолей нижней стратосферы двух- и трехчастотными лидарами позволило (работы совместно с И. Э. Наацем, И. В. Самохваловым и др.) впервые в практике методов дистанционного зондирования получить обоснованную оценку размеров частиц аэрозольного слоя Юнге (12-25 км). В 1970 г. в Институте оптики атмосферы под руководством В. Е. Зуева был создан мобильный лидар типа "ЛОЗА", работающий на длине волны 0,69 мкм и обеспечивающий дальность зондирования до 3-5 км. Уже в 1971 г. были выполнены экспериментальные исследования динамики искусственного разрушения облаков. В 1972 г. впервые в Советском Союзе были получены данные о пространственно-временной картине распространения аэрозоля в воздушном бассейне индустриального центра; оказалось возможным "рисовать" суточный ход интенсивности аэрозольных загрязнений в зависимости от метеорологических условий и высоты над городом. В 1973-1974 гг. был предложен и экспериментально обоснован метод дистанционного контроля запыленности воздуха в карьерах при добыче полезных ископаемых открытым способом.

Методы нелинейной оптики в лазерном зондировании. В работах В. Е. Зуева (совместно с Ю. Д. Копытиным и др.) разработаны основы использования нелинейных оптических эффектов для лазерного зондирования. Подобные способы дополняют методы "линейные".

Впервые предложен и экспериментально осуществлен лидарный (для расстояний 50-500 м) метод экспресс-анализа атомного состава аэрозоля с концентрационной чувствительностью 10-5 г/м3 путем использования эффекта возбуждения эмиссионных спектров практически всех известных веществ неравновесной плазмой лазерной искры, инициированной в атмосфере излучением мощного импульсного СО2-лазера. Акустическое сопровождение этой искры оказалось возможным использовать для зондирования температуры, влажности, скорости ветра и наклонной спектральной акустической прозрачности приземного слоя атмосферы в диапазоне частот 101-104Гц.

Плодотворны и интересны предложенные и технически реализованные методы высокочувствительного газоанализа атмосферы путем использования эффектов нелинейного внутрирезонаторного усиления эхо-сигнала при приеме его на лазер. Чрезвычайно высокая чувствительность метода обеспечивает возможность регистрации фоновых концентраций малых газовых примесей в атмосфере, а также влажности воздуха при очень низких зимних температурах.

Лазерное зондирование метеорологических параметров.

В 1972 г. под руководством В. Е. Зуева была начата разработка дистанционного метода определения температуры атмосферы по отношению к интенсивности двух участков чисто вращательного спектра комбинационного рассеяния света на молекулах азота и кислорода. С теоретической точки зрения идея довольно очевидна, однако практическая ее реализация оказывается делом очень непростым: выделение отдельной линии спектра КР неизбежно сопровождается значительными потерями полезного сигнала в спектральном приборе, линии вращательного комбинационного рассеяния приходится выделять из фона молекулярного и аэрозольного рассеяния, превосходящего в 106-107 раз сигнал КР. Использование разработанного в Институте оптики атмосферы лазера на парах меди (средняя мощность излучения 5- 10 Вт, частота повторения импульсов 104 сек-1 при длительности 10-8 сек, длине волны излучения 510,6 им), специального двойного монохроматора (подавляющего сигнала на несмещенной частоте на 7-8 порядков при расстоянии около 10 см-1) позволило впервые в мире создать СКР-лидар с рекордными характеристиками: на расстояниях до 1 км температура измеряется с точностью менее 0,5-1° С; концентрационная чувствительность подобных систем при анализе газовых выбросов в атмосферу - 0,1 ppm.

Для определения вертикального профиля скорости ветра В. Е. Зуевым и его сотрудниками используется факт неоднородного распределения аэрозоля в атмосфере и предположение о полном увлечении аэрозолей потоками воздуха; необходимую для решения обратной задачи информацию поставляет корреляционный анализ временных реализаций оптических сигналов, рассеянных несколькими неперекрывающимися объемами. Наземные и самолетные исследования оптических свойств аэрозольных неоднородностей (совместно с И. В. Самохваловым, Г. Г. Матвиенко и др.) установили, что контраст неоднородностей коэффициента обратного рассеяния в слабозамутненной атмосфере составляет всего 0,05- 0,15. Это обстоятельство диктует необходимость конструктивного создания лидаров с узкой диаграммой направленности и оперативным сканированием вдоль точек съемки информации, чтобы обеспечить высокую помехозащищенность лидара и его большой энергетический потенциал. Построенные лидары получают данные, совпадающие в пределах 0,5 м/сек с результатами прямых измерений скорости ветра.

Начиная с 1972 г. В. Е. Зуевым инициируются работы по созданию лидаров для зондирования атмосферных газов на основе явления резонансного поглощения. При этом проводится измерение коэффициента поглощения в центре спектральной линии, а аэрозольное рассеяние устраняется дополнительным измерением на длине волны в соседнем "окне прозрачности".  Однако кажущаяся простота метода оказывается в диссонансе с его практическим воплощением: необходимы лазеры с узкой линией излучения (на порядок меньше ширины линии поглощения), система должна обеспечивать надежную настройку на центр линии, измерения эхо-сигнала ведутся в режиме счета фотонов. Успешное преодоление этих трудностей позволило в 1979 г. впервые осуществить устойчивое восстановление высотного профиля водяного пара в атмосфере до высот 10 км по данным лазерного зондирования в линии поглощения паров воды с центром 694,38 нм.

Автоматизация научных исследований и технологических процессов

Специфика атмосферно-оптических исследований, в том числе и применение методов лазерного зондирования атмосферы, состоит в том, что необходима громоздкая статистическая обработка материала и в процессе самих измерений и при построении разного вида моделей. Эпизодические и разовые измерения параметров атмосферы, каким бы способом они не осуществлялись, оказываются малоинформативными и непригодными для практического использования. Поэтому принципиальное значение имели те огромные инициативные усилия В. Е. Зуева, которые он предпринял сразу же при открытии Института оптики атмосферы по созданию и развитию проблемы автоматизации научных исследований. Уже в октябре 1970 г. была создана лаборатория математической обработки результатов измерений, которая в последующие годы выросла до крупного отдела.

Основные направления комплексного развития по автоматизации научных исследований в ИОА В. Е. Зуев сформулировал в 1971 г.:
1) освоение и развитие основных вычислительных мощностей и программного обеспечения общего пользования;
2) создание пакетов прикладных программ для систем аналитических вычислений, управления базой данных и численных расчетов;
3) автоматизация экспериментальных установок и разработка методов доступа к ЭВМ.

Успешное решение поставленных задач было завершено к 1976 г. созданием мощной вычислительной сети и системой автоматизации научных исследований в институте. Результаты этой работы В. Е. доложил на I Всесоюзном совещании по атмосферной оптике, что нашло отражение в "Трудах" этого совещания.

Под руководством В. Е. Зуева была разработана целевая комплексная региональная программа, основные задачи которой были сформулированы в статье "Система автоматизации научных исследований Института оптики атмосферы (ИОА)" (1977).

В порядке выполнения региональной комплексной целевой программы по автоматизации научных исследований и технологических процессов были созданы системы автоматизации научного эксперимента в ряде НИИ, осваиваются и выпускаются промышленными предприятиями партии аппаратуры в стандарте КАМАК. Опыт работы в рамках региональной КЦП по автоматизации В. Е. Зуев излагает в ряде статей; этот опыт получает широкое распространение в стране.

На заседании Совета по автоматизации научных исследований при Президиуме АН СССР 25 апреля 1980 г. был заслушан доклад В. Е. Зуева и было отмечено, что впервые в стране успешно реализован опыт выполнения региональной КЦП по автоматизации, объединяющей усилия научных и промышленных организаций.

Оптическое приборостроение

Постоянное стремление В. Е. Зуева к комплексному решению научно-технических проблем ярко иллюстрируется большим вниманием, которое он уделяет развитию приборостроения в области атмосферной оптики.

Еще в начале 60-х годов, когда только появились оптические квантовые генераторы и перспективы их использования в атмосферной оптике казались неясными, В. Е. Зуев организовал лазерную научную группу в своей лаборатории и на основании измерений прозрачности впервые определил перспективные лазеры для работы через атмосферу. Полученные количественные данные по прозрачности лазеров в атмосфере, а также другие особенности прохождения лазерного излучения обобщены им в обзорной статье "Распространение излучений оптических квантовых генераторов в атмосфере" (1967). Развитие работ в этой области в 70-х годах В. Е. Зуев осуществляет путем разработки и создания лазеров на парах металлов, особенно перспективных для использования в системах лазерного зондирования атмосферы и других многочисленных оптико-электронных приборах. Различные модификации лазеров на парах металлов успешно демонстрируются на ВДНХ СССР и международных выставках научно-технических достижений СССР. В 1983 г. была начата работа по освоению промышленного производства лазеров на парах меди, разработанных в ИОА и СКБ "Оптика", предприятиями Народной Республики Болгарии на контрактно-лицензионной основе.

В монографиях "Лазер покоряет небо" (1972), "Лазер-метеоролог" (1974) и обзорной статье "Лазерное зондирование атмосферы" (1973) В. Е. Зуев, описывая физические и технические основы лазерного зондирования атмосферы, подчеркивает сложность технического решения этой задачи. Он активно участвует в разработке методов лазерного зондирования. Большое внимание уделяет В. Е. разработке и изготовлению лидаров в СКБ "Оптика" СО АН СССР. Так была создана серия лидаров "ЛОЗА-2", "ЛОЗА-3" (кабинный вариант). В 1982 г. была выпущена серия промышленных лидаров "Электроника". В. Е. Зуев продолжает осуществлять научное руководство по разработке и изготовлению различных модификаций лидаров, включая бортовые варианты, на основе эффектов аэрозольного рассеяния, а также лидаров с использованием других физических явлений и принципов.

Успешно развиваются под руководством В. Е. работы по лазерным навигационным устройствам. Созданные на этой основе навигационные системы успешно испытаны. Они продемонстрировали свою эффективность для проводки судов в морских портах страны и для посадки самолетов в сложных метеорологических условиях. По результатам разработки и испытаний лазерных навигационных устройств В. Е. Зуевым совместно с В. Я. Фадеевым и другими опубликована монография "Лазерные устройства для обеспечения судовождения".

Научная, педагогическая и общественная деятельность В. Е. Зуева получили высокую оценку в нашей стране. С 1971 г. он постоянно избирается членом Томского обкома КПСС. Трижды избирался депутатом Верховного Совета СССР, а также делегатом XXV и XXVI съездов КПСС. В 1981 г. он избран действительным членом Академии наук СССР. В. Е. Зуев награжден двумя орденами Трудового Красного Знамени, орденом "Знак Почета", орденом Отечественной войны II степени, восемью медалями. В 1985 г. В. Е. Зуеву присвоено звание Героя Социалистического Труда с вручением ордена Ленина и золотой медали "Серп и Молот".

Член-корреспондент АН СССР В. Е. Панин
Доктор физико-математических наук М. В. Кабанов
Доктор физико-математических наук С. Д. Творогов