Известия РАН. Серия физическая, 2022, T. 86, № 11, стр. 1654-1659

Первое детектирование молний c использованием космических аппаратов было выполнено со спутника ОСО-В2, выведенного в 1965 г. на околоземную орбиту (600 км). На этом аппарате были установлены три телескопа, оснащенные фотометрами оптического диапазона, спроектированными для исследования корреляции между интенсивностью свечения атмосферы и геомагнитной аномалией Южной Атлантики [1]. Искомая корреляция не была обнаружена, но был получен положительный результат при проверке идеи, которая была высказана в нескольких конвенционных докладах. Pierce E.T., Coroniti S.C. и Larson G.S. предположили, что местоположения областей с сильной грозовой активностью можно определить с помощью аппаратуры, расположенной на космических аппаратах. Зарегистрированное спутником ОСО-B2 оптическое излучение позволило локализовать положения ночных гроз и сделать вывод, что над сушей бывает в десять раз больше гроз, чем над морем [2].

Солнечный свет, отраженный от облаков и земной поверхности, мешал фиксации дневных гроз. Поэтому был проделан большой объем исследований оптического спектра грозовой активности для того, чтобы найти спектральную полосу для ее круглосуточного наблюдения. Были проанализированы [3] данные двух детекторов, работавших в спектральных диапазонах 375–695 нм [4] и 650–880 нм [5] и зафиксировавших излучение от одной и той же молнии. В спектральном диапазоне 375–650 нм была зарегистрированная средняя плотность потока энергии излучения 3.5 ⋅ 10^–5 Дж · м^–2 для одной вспышки. Средняя спектральная освещенность штриха от 650–880 нм для тех же вспышек составляет 1.2 ⋅ 10^–5 Дж · м^–2. Совместный анализ измеренных спектров показал, что интегральная энергия излучения уменьшается с увеличением длины волны от 430 до 850 нм в два раза быстрее, чем уменьшение солнечной энергии в том же диапазоне, причем наиболее интенсивна спектральная линия с длиной волны 744.4 нм. Результат измерений [4, 5] представлен в табл. 1, соответствующей table 1 в публикации [3].

Спектральные измерения, выполненные с борта высокоорбитального самолета U-2, показали [6], что линии 777.4 и 868.3 нм имеют наибольшую спектральную энергию. Полученный спектр излучения молний, который в настоящее время рассматривается как типичный [7], приведен на рис. 1.

Рис. 1.

Типичный спектр излучения молнии в оптическом диапазоне.

Круглосуточное непрерывное отслеживание оптического излучения света из верхних слоев облаков оказалось важным инструментов в метеорологических исследованиях. Для того, чтобы иметь возможность регистрировать грозовую активность, используется узкополосный интерференционный фильтр, который повышает контрастность линии 777.4 нм на фоне отраженного от облаков солнечного света. Эта линия является триплетом излучения ионизированного кислорода с длинами волн 777.19, 777.42 и 777.54 нм. Для ее выделения при нормальном падении излучения на поверхность фильтра достаточно иметь полосу пропускания 0.35 нм. Однако, при исследовании с низкоорбитальных спутников расходящегося излучения использовались более широкая полоса от 0.85 до 1.2 нм. [8]. Варьируя полосу пропускания, разработчики компенсировали ее смещение при отклонении от нормального падения излучения на интерференционный фильтр [9].

Анализ данных за несколько лет доказал корреляцию количества зарегистрированных вспышек молний с изменением климата [10]. В результате всемирная метеорологическая организация и Американский геофизический союз (AGU) пришли к выводу, что грозовая активность является симптомом и причиной изменения климата [11]. Национальное управление по аэронавтике и исследованию космического пространства (National Aeronautics and Space Administration – NASA) приняла решение разместить на геостационарной орбите (ГСО) картограф молний (Geostationary Lightning Mapper – GLM) [7, 12], предназначенный для следующих целей: обнаружение и предупреждение о сильных штормах, внезапных наводнениях, торнадо, граде; оценка конвективных осадков; отслеживание авиационных опасностей на аэродроме и во время перелета; предупреждение об опасности энергетических компаний, топливных складов, полей для гольфа и т.д. Этот прибор уже работает на геостационарных спутниках GOES-16, GOES-17 [13].

Для наблюдения всей поверхности Земли с ГСО при помощи одного объектива нельзя использовать узкополосные фильтры, которые были разработаны для низкоорбитальных спутников. Эти фильтры корректно функционируют при расходимости света менее 3°–5°. Угловой размер Земли со спутника можно оценить, как 2 · arctg(6.35/42.1) ≈ 17.4° (0.072 ср), исходя из того, что радиус Земли ≈6.4 тыс. км, расстояние от центра Земли до спутника на ГСО 6.4 + 35.8 ≈ ≈ 42.2 тыс. км. При наклонном падении излучения под углом ≈8.5° в узкополосных интерференционных фильтрах происходит расщепление полос фильтрации для s- и p-поляризованного света [14].

АО “РКЦ “Прогресс” – НПП “ОПТЭКС” разрабатывает геостационарный детектор молний (ГДМ) [15] на базе детектора, который планировалось установить на международной космической станции (МКС) [16]. В обоих приборах планировалось использовать интерференционный фильтр с центральной полосой пропускания 777.4 нм. На МКС предполагалось реализовать фильтрацию в полосе 1.7 нм [16] для компенсации сильной зависимости пропускания разрабатываемого светофильтра от угла падения лучей. Создаваемый ГМД должен был обладать следующими характеристиками [15]: проекция пикселя при наблюдении в надире не более 10 км; угловой размер изображения, градусы: не менее 17.5° × 17.5° (вся поверхность диска Земли, видимого с ГСО); спектральный диапазон наблюдения: 775.9–777.9 нм. В устном докладе [15] была обозначена проблема узкополосной широкоугольной фильтрации в ГМД и предложено уменьшить поле зрения с 17.5° до 9° и сместить центр кадра с экватора на север.

При разработке Европейским космическим агентством (European Space Agency – ESA) детектора молний (Lightning Imager – LI), который согласно новому этапу программы Метеосат (Meteosat Third Generation – MTG) предполагается разместить на ГСО [17, 18], было предложено расположить солнцезащитный фильтр (Solar Rejection Window – SRW) перед узкополосным фильтром (Narrow Band Filter – NBF) [19]. SRW устанавливается для защиты NBF от прямого воздействия внешней космической среды. При углах падения излучения до 16.3° и при больших температурах солнцезащитный фильтр должен пропускать излучение только в спектральном диапазоне от 760–780 нм. Разработчики фильтров демонстрирует понимание, что идеальная ширина полосы NBF должна быть не больше, чем минимальная ширина полосы 0.34 нм. Однако реальная полоса пропускания указана ~1.9 нм, что позволяет гарантировать требуемый коэффициент пропускания в рабочем диапазоне угла падения (от 0° до 5.1°). Кроме того, при изготовлении SRW была учтена s- и p-поляризация света [14]. На рис. 2а показаны расчетные и экспериментальные спектры пропускания и поглощения SRW для излучения, падающего на фильтр под углом 16.3°. Предложенное техническое решение состоит в использовании четырех объективов, для перекрытия углового диапазона, который GLM перекрывает с помощью одного объектива.

Рис. 2.

Спектральные характеристики фильтров: Спектры пропускания Ts, Tp и поглощения Rs, Rp для s- и p-поляризованного света, падающего на фильтр под углом 16.3 град (а). Непрерывные линии соответствуют экспериментальным данным, пунктирные – расчетным. Смещение спектра пропускания Tx в зависимости от угла падения света: 1 – нормальное падение, 2 – 5°, 3 – 10°, 4 – 20°, 5 – 30° (б).

На рис. 2б показано смещение спектра пропускания фильтра [20], сходного по параметрам с SRW, в зависимости от угла падения света от 0° до 30°. На рис. 3 показан спектр излучения Солнца [21]. Вышеизложенная информация будет использована при обсуждении оптимального сочетания ширины и положения спектра фильтрации для минимизации смещения центральной полосы фильтрации и расщепления спектров фильтрации s- и p-поляризованного света при больших углах отклонения фильтра.

Рис. 3.

Спектр излучения Солнца: 1 (желтый цвет) – пришедшее от Солнца излучение в верхней атмосфере; 2 (черная линия) – черное тело при температуре 5250°С; 3 (красный цвет) – результаты измерений на уровне моря прошедшего через атмосферу излучение Солнца.

Для широкоугольной фильтрации необходимо искать спектральную полосу, а не самую яркую линию, в которой максимально отношение интегральной интенсивности молниевой активности и солнечной радиации, отраженной от облаков. На основании результатов, представленных на рис. 2а и 2б, ширину полосы фильтрации можно оценить в 20 нм. Из данных, представленных на рис. 3, видно, что в районе 950 нм большая часть излучения от Солнца поглощаются молекулами Н₂O. Поэтому отраженный от облаков свет в этой спектральной полосе будет минимальным. Из данных, представленных на рис. 1 видно, что в типичный спектр излучения молнии был прописан только до 920 нм, но в его конце видна достаточно яркая линия. Жидкая вода имеет полосы поглощения вблизи 970, 1200, 1450 и 1950 нм. Спектральная чувствительность кремниевых фотодиодов, которые используются в детекторах молний, лежит в диапазоне 0.4–1.1 мкм [22]. Таким образом, вместо узкоугольныых фильтров, выделяющих самую яркую линию 777.4 нм, для широкоугольного детектирования вспышек молний с ГСО целесообразно использовать фильтр с центральной длинной волны соответствующей самой яркой линии молнии в спектральном диапазоне ≈940–980 нм и шириной ≈20–30 нм.

Кроме того, необходимо отметить, что в публикации [23] уже было проведено краткое сравнение характеристик интерференционного фильтра и акустооптического фильтра (АОФ) при монохромном детектировании молний с ГСО. Эти фильтры активно используются для дистанционного зондирования Земли [24] и других планет [25]. У АОФ полоса пропускания практически не сдвигается при изменении угла падения света, т.к. при брэгговской дифракции, которая реализуется в таких фильтрах, фотоны рассеиваются на фононах с выполнением законов сохранения энергии и импульса. Стандартная полоса пропускания АОФ ≈ 2 нм в видимом диапазоне спектра, в 1974 г. была показана возможность фильтрации расходящегося с угловой апертурой ≈±7° [26]. В связи с тем, что, в отличие от интерференционного фильтра, АОФ обладают ограниченным пространственным разрешением, были проведены теоретические исследования [27, 28] с целью поиска условий, которые позволяют получить максимальное разрешение. В результате были созданы перестраиваемые АОФ [29–31], пространственное разрешение фильтрации которых лучше, чем реализует фотодетекторная матрица ≈800 × 800 элементов. В статье работе [32] было показано, что многополосная АОФ позволяют формировать сложные спектры. Такие спектры могут эффективно выделить несколько линий спектра излучения молнии.