Исследование океана

И сследование океана включает определение глубины (батиметрические исследования), обнаружение нефтяных загрязнений, обнаружение скоплений фитопланктона и т.п.

Определение глубины

Рассмотрим измерение глубины моря с помощью лазерного зондирования (рис. 8.6).

При определении глубины лазерный импульс S₀ посылается к поверхности моря с самолета, частично отражается от поверхности (S₁), частично проникает в воду и отражается от дна (S₂). Импульс S₂ попадает на приемник, также установленный в самолете, через интервал времени t после S₁. По времени t определяют глубину.

Пролетев над заданным районом моря по выбранной соответствующим образом трассе, можно получить информацию о глубинах и составить топографическую карту морского дна. Такой метод измерения глубин особенно перспективен при исследовании шельфовых (прибрежных) зон океанов и морей. При этом используют излучение импульсного неонового лазера с λ = 0,54 мкм, т.к. такое излучение слабо поглощается и рассеивается морской водой.

Т аким методом возможно измерение глубины до 20 м с точностью ±0,25 м. Метод можно использовать для обнаружения подводных, в том числе и плавающих, объектов.

Обнаружение нефтяных загрязнений

Нефть относится к наиболее опасным загрязнениям водоемов. Эффективность борьбы с такими загрязнениями зависит от оперативности их обнаружения. Наиболее перспективны дистанционные методы, к которым относится и лазерное зондирование (рис.8.7).

Загрязненная пленкой нефти водная поверхность облучается лазером, установленным на самолете. Лазерное излучение частично отражается от поверхности пленки (лучи 1), частично поглощается пленкой, остальная часть попадает в воду. Длину волны излучения подбирают так, чтобы появилось флуоресценция нефтяного пятна (лучи 2) и комбинационное рассеяние на молекулах нефти (лучи 3) и воды (лучи 4). Регистрируя интенсивность и спектр флуоресцентного излучения, можно установить наличие нефтяного загрязнения и определить его состав. Исследуя спектр комбинационного рассеяния, можно определить толщину пленки.

Обнаружение скоплений фитопланктона

Метод флуоресцентного лазерного анализа можно использовать для обнаружения областей скопления фитопланктона и определения концентрации хлорофилла в нем. Если флуоресценция происходит при λ = 0,68 мкм, то в данном месте у поверхности океана – жизнеспособный фитопланктон. Фитопланктон, утративший способность к фотосинтезу, флуоресцирует на других длинах волн. Сканируя поверхность, можно определить границы участка, богатого планктоном, по интенсивности излучения флуоресценции можно судить о плотности слоя.

8.4. Лазерный управляемый термоядерный синтез (лутс)

Исследования в области лазерного управляемого термоядерного синтеза (ЛУТС) начались в 60-х годах ХХ века. В основе ЛУТС лежит реакция взаимодействия ядер дейтерия и трития, в результате которой образуется ядро гелия ( - частица) и свободный нейтрон и выделяется большое количество энергии (17,6 Мэв). Взаимодействие происходит при сближении ядер на расстояние, на котором начинают действовать ядерные силы. При этом кинетическая энергия ядер должна быть достаточной для преодоления сил электростатического отталкивания. Следовательно, реакция синтеза в дейтерий-тритиевой плазме возможна лишь при температурах порядка 10⁸ К. Нагрев можно осуществить с помощью сфокусированного лазерного излучения.

Д ля СО₂-лазера непрерывного действия мощностью 100 Вт с яркостью пучка 10⁸ Вт/(см²∙ср) температура Т_эф=86000 К. Импульсный неодимовый лазер с длительностью импульса 10 нс дает яркость 10¹⁶...10¹⁷ Вт/(см²∙ср), при этом эффективная температура составляет 7∙10⁷ К, что в десятки тысяч раз превышает температуру поверхности Солнца, равную приблизительно 6∙10³ К. Таким образом, с помощью лазерного излучения можно нагреть вещество до очень высоких температур, вплоть до термоядерных.

Плотность энергии, достигаемая при фокусировке мощного лазерного излучения, сравнима лишь с реализуемой при ядерном взрыве. Плотность световой энергии, необходимая для ядерного синтеза, может быть получена за счет концентрации излучения в очень малом объеме (10^-6...10^-7 см³), и за счет выделения энергии 10³...10⁵ Дж за очень малый промежуток времени (10^-8...10^-11 с).

Реализация ЛУТС возможна на сферической мишени, роль которой выполняет стеклянный или металлический шарик диметром 0,1...1,0 мм, наполненный газовой смесью из дейтерия и трития под давлением в несколько десятков атмосфер. На мишень фокусируют направляемое с разных сторон импульсное лазерное излучение (длительность импульса 1…10 нс, суммарная энергия 10⁵ Дж). Лазерная усилительная установка (рис. 8.8, а) за счет концентрации повышает плотность потока с 10⁵ Вт/см² до 10¹⁰ Вт/см². Фокусировка лазерного пучка увеличивает плотность до 10¹⁵ Вт/см². В многоканальной лазерной установке имеется несколько (до 100) каналов, обеспечивающих облучение мишени с разных сторон (рис. 8.8, б). Слой горячего газа вокруг мишени действует как тепловая линза, дополнительно фокусирующая лазерное излучение на поверхности мишени. Плотность потока при этом возрастает до 10¹⁶ Вт/см². Испарение вещества с поверхности мишени вызывает адиабатическое сжатие, сопровождаемое нагревом сверхпрочного вещества. При сжатии вещества в 10⁴ раз плотность потока достигает 10¹⁹ Вт/см², а температура – несколько десятков миллионов градусов.