Гидрометеорологический космический аппарат «Метеор-М». Фото: КЦ «Восточный» / Роскосмос
Недавно новостные агентства сообщали о выводе на орбиту фурье-спектрометра для дистанционного зондирования Земли ИКФС-2 в составе нового метеорологического спутника «Метеор-М». Эта совместная разработка холдинга «Швабе», Исследовательского центра имени М.В. Келдыша и МГТУ им. Н.Э. Баумана позволяет метеорологам получать прогнозы изменения погоды, в том числе в области экстремальных значений.
О том, как устроен и где применяется этот вид спектрометров – в нашем материале.
Со школьных уроков физики мы знаем, что свет можно разложить на спектр. Например, с помощью призмы. Полученный таким образом спектр будет представлять собой распределение длин волн электромагнитного излучения, составляющих этот свет.
Но помимо длины волны, электромагнитное излучение можно также разложить и на другие спектры – по частотам или энергиям.
Накапливая и анализируя эти данные, можно получить различную информацию об источнике этих спектров. Для этих целей изобретено большое количество спектрометров. Именно так называются приборы для накопления, количественной обработки и последующего анализа спектров.
Камчатка, снятая космическим аппаратом «Метеор-М». 2015 год. Фото: АО «Российские космические системы»
Сегодня мы будем разбираться с работой инфракрасного фурье-спектрометра. Забегая вперед, скажем, что нужен он для дистанционного зондирования Земли из космоса. Но об этом немного позже. А сейчас давайте узнаем, как он работает.
Итак, возвращаясь к школьному эксперименту с призмой, стоит сказать, что на его основе можно получить спектрометр. Для этого достаточно оснастить экран, на который проецируется спектр, специальным детектором, который будет замерять интенсивность сигнала в каждом конкретном промежутке длин волн. По этим свойствам спектра можно определять характеристики веществ, их испускающих.
Конечно, современные лабораторные и промышленные спектрометры намного сложнее. Для достижения требуемой точности измерений такие приборы дополнены различными оптическими и электронными элементами. В некоторых из них призмы заменяют дифракционными решетками. Но если сильно упростить, все происходит именно так, как в том самом школьном опыте с призмой.
Космический аппарат «Метеор-М». Рисунок: АО «Корпорация «ВНИИЭМ» / Роскосмос
А вот фурье-спектрометр работает несколько иначе. В нем спектры вычисляются не по интенсивности сигнала, а по отклику в пространственной области путем преобразования Фурье. Если не сильно вдаваться в математические подробности, речь идет об операции сопоставления одной функции вещественной переменной с другой, которая в результате описывает элементарные составляющие исходной функции – гармонические колебания с разными частотами. Подобные вычисления довольно трудоемкие, но с появлением компьютеров это перестало быть проблемой, мешающей развитию метода.
Схематически фурье-спектрометр − это интерферометр Майкельсона, оснащенный подвижным и неподвижным зеркалами. Подвижное зеркало управляется компьютером и позволяет варьировать разность хода лучей от обоих зеркал. Эту разность фиксирует специальный фотоприемник, и дальше в работу снова вступает компьютер – управляет записью интерферограмм и их обработкой.
Данный метод, конечно, остается довольно сложным по сравнению с традиционной спектроскопией. И дело даже не в трудоемкости вычислений (с этим прекрасно справляется компьютер), а в прецизионной механике. Говоря проще, создание фурье-спектрометров представляет собой определенную технологическую сложность. Зато в области анализа инфракрасного излучения им нет равных, особенно при измерении спектров слабых источников излучения.
Озеро Байкал, снятое космическим аппаратом «Метеор-М». 2015 год. Фото: АО «Российские космические системы»
А нужно все это для того, чтобы, идя на работу, вы неожиданно не попали под дождь. Именно благодаря фурье-спектрометру ИКФС-2, разработанному специалистами Исследовательского центра имени М.В. Келдыша, Красногорского завода им. С.А. Зверева и МГТУ им. Н.Э. Баумана и установленному на метеоспутнике «Метеор-М», метеорологи получают данные о температуре и влажности в тропосфере, о содержании озона, о доли покрытия облачностью и давлении на верхней границе облачности и другие. Обрабатывая эти данные и показатели других приборов, метеорологи получают прогнозы изменения погоды, в том числе в области экстремальных значений. На практике это помогает спасать человеческие жизни – заблаговременно готовить оповещения о надвигающихся ураганах, цунами, смерчах и прочих природных аномалиях.
Это уже второй прибор подобного типа, работающий на орбите. Его предыдущая версия восемь лет отслеживала инфракрасные спектры Земли. Причем расчетный срок службы был превышен на три года. По итогам работы в фурье-спектрометр ИКФС-2 внесли ряд изменений и добавили новые функции. И уже ведется работа над спектрометрами нового поколения с большей информативностью для следующих спутников.
