«Рифленое стекло»  атмосферы   

Наука необычайно многогранна: сложно перечислить все те направления, которые сейчас активно развиваются.  В настоящее время является дискуссионным вопрос: что должно стоять, что называется, во главе угла – наука «прикладная», с результатами которой обычный человек может соприкоснуться в реальной жизни или же наука фундаментальная, меняющая и расширяющая представления о мире? Наверное, вопрос не должен ставиться или – или: и, во всяком случае, фатальной ошибкой будет отказ от фундаментальных знаний во имя быстрых и эффектных успехов.

Одной из проблем отношения к фундаментальной науке является то, что в обществе, среди обычных людей, не хватает знаний о важных и передовых достижениях. Конечно, каждый хоть краем уха слышал об андронном коллайдере, но ведь этим фундаментальная наука далеко не ограничивается! Одно из значимых и актуальных направлений атмосферной оптики – распространение мощного лазерного излучения в нелинейной и турбулентной среде (атмосфере).

Валерий Викторович Колосов, зам. председателя Президиума Томского научного центра СО РАН, зам. директора Института оптики атмосферы СО РАН и научный коллектив его лаборатории ведут свои исследования не только по этой тематике, они затрагивают гораздо больший спектр научных проблем.

13 марта ученый отметит свой 60-летний юбилей, большую часть своей жизни он посвятил именно научной деятельности.

- В те годы, когда еще студентом я пришел в науку, начало развиваться направление, связанное с распространением мощного лазерного излучения в атмосфере. В то время  отсутствовало ясное представление о многообразии эффектов взаимодействия оптического излучения и воздушной среды, не было однозначного понимания, какие системы уравнений являются достаточными для адекватного теоретического описания процессов, протекающих при распространении излучения в атмосфере, - рассказывает Валерий Викторович. – Если сейчас все больший круг задач решается с помощью численных методов, то в те годы вычислительные возможности компьютеров были ограничены, и значительная часть всех расчетов осуществлялась научными сотрудниками с использованием аналитических методов. Поэтому были востребованы специалисты, хорошо владеющие математическим аппаратом. Я пришел в лабораторию Александра Витольдовича Кузиковского в 1977-ом году, под его руководством сделал свои первые шаги как исследователь. В 1982-ом году защитил кандидатскую диссертацию.

В 1984-ом году коллектив молодых ученых - А.А. Землянов, В.В. Колосов, П.А. Коняев занимает первое место на конкурсе научно-исследовательских работ по физике, который прошел в Сибирском отделении РАН. В 1985 году Институт оптики атмосферы становится головным предприятием по важному научному направлению прикладной направленности. Программа исследований рассчитана на 5 лет, на нее выделено очень серьезное финансирование – почти четверть от базового бюджета института. В 1987-ом году Валерий Колосов в составе авторского научного коллектива, работавшего по этой программе, удостаивается такой престижной и высокой в те годы награды: он становится лауреатом премии Ленинского комсомола.

Можно себе представить, какой колоссальный стресс, какое огромное потрясение испытали ученые, когда за очень короткий срок весь порядок жизни кардинально поменялся. Значимая и востребованная государством наука в одночасье из принцессы превратилась в никому не нужную сироту – Золушку: финансирование программы было закрыто, а нужно было как-то выживать.

В перестроечные годы многие ученые примерили на себя новую роль – коммерсанта, предпринимателя. Валерий Викторович, не оставляя научные исследования, тоже попробовал свои силы на этом поприще, но интерес к науке оказался сильнее. Постепенно удалось возобновить исследования в рамках направления, связанного с распространением лазерного излучения в атмосфере. Свою роль в этом сыграло то, что это направление оставалось актуальным в США, и американские исследователи проявляли интерес к исследованиям, проводимым в Институте оптики атмосферы. Во второй половине 90-х годов институт выполнял ряд крупных контрактов по заказу Ливерморской лаборатории. В 2002 году В.В. Колосов получил приглашение заключить годичный контракт с Мэрилендским университетом США на работу в качестве приглашенного исследователя.

  -  Помог Его Величество случай. На одной из международных научных конференции мой коллега – Валерий Петрович Аксенов встретил бывшего профессора МГУ Михаила Алексеевича Воронцова, перебравшегося в Америку и в то время возглавлявшего лабораторию в Мерилендском университете, ему был необходим специалист, владеющий численными методами и знакомый с проблемой распространения некогерентного излучения в неоднородных средах. Михаила Алексеевича заинтересовали мои научные результаты, особенно в части развития методов решения задач распространения частично когерентного излучения в атмосфере, - отметил Валерий Викторович. -  Владение такими методами открывало возможность выполнить численное моделирование задачи лазерного сопровождения протяженных шероховатых объектов, перемещающихся в турбулентной атмосфере.

Совершенствование ранее разработанных для других задач методов позволило существенно продвинуться в данном направлении, удалось описать процессы, связанные с потерей когерентности лазерного излучения при его отражении от шероховатой поверхности, получить ряд новых результатов, в том числе, удалось обнаружить очень интересный эффект - так называемый «эффект суперфокусировки».

Что же скрывается под столь эффектным названием? Позволит это лучше понять следующая аналогия: если в дверь вставлено рифленое стекло, то порой бывает очень сложно разглядеть, что скрывается за ним: картинка искажается, очертания предметов меняются и выглядят совсем иначе. Атмосфера и ее протяженные трассы (десятки и сотни километров) чем-то напоминают то самое рифленое стекло. Но если рассмотреть детали этого стекла, то можно увидеть, что оно представляет собой чередование выпуклых и вогнутых участков. А выпуклые участки – это фокусирующие линзы, которые, как известно, позволяют видеть более мелкие предметы и фокусировать свет. В связи с этим вспоминается крылатое выражение из любимой многими кинокомедии «Кавказская пленница» «тот, кто нам мешает, тот нам поможет». Как и для рифленого стекла, определенные участки трассы в отдельные временные промежутки (при условии применения адаптивной оптики) позволяют осуществить дополнительную фокусировку лазерного излучения, увеличив эффективность его передачи на расстояние.

   Начатое в 2002 году сотрудничество продолжается. В след за руководителем на работу в Мэрилендский университет на полтора года уехал В.В. Дудоров. Он получил приглашение сразу после защиты кандидатской диссертации. Сейчас там работает другой недавно защитившийся ученик - Г.А. Филимонов. Коллективы лабораторий В.В. Колосова и М.А. Воронцова совместно участвовали в выполнении трех контрактов с Национальными лабораториями Сандия (США). Последние три года совместно работали в рамках двух Федеральных целевых программ под руководством американского коллеги – М.А. Воронцова. Работа по второй программе позволила получить первые оценочные данные об особенностях проявления  эффекта суперфокусировки при распространении лазерного излучения на протяженных высотных трассах. Коллектив под руководством В.В. Колосова выполнил расчеты, которые показали, что эффект суперфокусировки проявляется и на таких трассах. Помогло то, что буквально накануне Валерий Николаевич Маричев и его соавторы, получили экспериментальные данные о характеристиках атмосферных неоднородностей на высотах более 20 км, которые были использованы при построение теоретической модели.

Одной из серьезных проблем, стоящих на пути отечественных ученых, является дороговизна изучения высотных слоев атмосферы. Например, в США для исследований по аналогичной тематике выделяется грант в размере 6 миллионов долларов сроком на три года (с возможным его продолжением). В этот масштабный проект вовлечены шесть ведущих американских университетов, в их числе и лаборатория Михаила Алексеевича Воронцова (университет Дейтона). К сожалению, для большинства российских научных коллективов такое финансирование недоступно.

Коллектив под руководством В.В. Колосова подавал заявку на конкурс мегагрантов, итоги которого были подведены не так давно.

-  Подготовка такого документа – это очень серьезный труд, - считает Валерий Викторович. – На конкурс было представлено около 800 заявок, а гранты получили лишь 20.  Считаю, что за каждой заявкой стоит интересный научный коллектив, развивающий значимое направление. Поэтому чувства обиды, несправедливости не возникает, нам удалось познакомиться с теми заключениями, которые были даны экспертами (два из них – наши соотечественники, а двое – зарубежные коллеги), наша заявка удостоилась хороших отзывов: это своего рода независимый аудит.

Надежды с дальнейшим развитием этих работ мы связываем с нашим участием в масштабном проекте, который можно назвать «ренессанс дирижаблей». В Московском государственном техническом университете радиотехники, электроники и автоматики (МГТУ ­МИРЭА) ведутся работы по созданию лазерной системы передачи энергии стратосферного базирования. На высоте 20-30 километров от земной поверхности планируется использовать беспилотные дирижабли, которые могут находиться в воздухе в течение длительного времени, а расстояние между дирижаблями будет составлять 500-700 км.

Дело в том, что при подъеме на высоту свыше 20 километров уменьшается влияние атмосферы на передачу энергии лазерного излучения, так как существенно уменьшается ее плотность,  на этих высотах крайне редко появляются облака и практически отсутствует аэрозоль. Реализация этого проекта позволит передавать энергию и огромные массивы информации в труднодоступные районы (без применения линий электропередач), повысить качество мониторинга Земли. Если этот проект получит одобрение и поддержку, то свой вклад в него внесут и научные коллективы Института оптики атмосферы СО РАН. Договоренность между руководством ИОА СО РАН и МГТУ МИРЭА о совместной работе в данном направлении уже достигнута.

    Ольга БУЛГАКОВА