ROZMOWA

Prof. Krzysztof  Ernst, kierownik Zakładu Optyki Instytutu Fizyki Doświadczalnej Uniwersytetu Warszawskiego

Lidarowe oczy

RYS. MAREK KONECKI

Jutro w Instytucie  odbędzie sie pokaz nowego polskiego lidara typu DIAL. Co to jest lidar? 

PROF. KRZYSZTOF  ERNST: Jest to urządzenie pozwalające wyznaczać zanieczyszczenia atmosfery metodami optycznymi. Nazywane też jest radarem laserowym.

Czy to kosztowne urządzenie będzie służyło tylko naukowcom?

Tego typu lidar jest rzeczywiście drogi, kosztuje około  miliona marek niemieckich. Jest to najnowsza generacja tego typu lidarów.  DIAL - lidar absorbcji różnicowej  jest urządzeniem inteligentnym, to znaczy potrafi rozróżnić, co  mierzy. Wykrywa ozon, dwutlenek siarki, tlenki azotu, benzen, toluen. Z lidara korzyść mamy potrójną: użyteczną, bo przy jego pomocy wykonujemy pomiary skażeń atmosferycznych, korzyść naukową - rozwijamy badania nad tym urządzeniem, staramy się m.in. rozszerzyć jego zastosowanie także na inne substancje występujące w atmosferze.  I korzyść dydaktyczną - szkolimy studentów zainteresowanych ochroną środowiska. Nad lidarem pracują specjaliści od laserów i od komputerów. Współpracujemy z doskonałym laboratorium prof. Ludgera Wöste z Freie Universitat Berlin rozwijającym m.in. problematykę lidarową. Pakiet software'u   wzbogacamy o nowe algorytmy, które potrafią lepiej i dokładniej rozszyfrowywać sygnał lidarowy, a w konsekwencji skażenia.  Żeby przetworzyć tzw. sygnał lidarowy, czyli to co wraca po rozproszeniu światła do układu, i otrzymać rozsądne dane dotyczące rozkładu koncentracji - trzeba dokonać skomplikowanych operacji. 

Badania, które prowadzimy, są zainicjowane i finansowane  przez Fundację Współpracy Polsko-Niemieckiej, dzięki której ten lidar u nas zaistniał i dla której w ramach naszych zobowiązań  wykonujemy pomiary zanieczyszczeń nad naszą wspólną granicą.  Zasadniczy koszt jego budowy pokryła uzyskana od Fundacji dotacja.  Część pieniędzy przekazał też Narodowy Fundusz Ochrony Środowiska i Gospodarki Wodnej oraz Komitet Badań Naukowych.

Czy wszystkie zanieczyszczenia będzie można wykryć za pomocą lidaru?

Nie ma takiego jednostkowego urządzenia, które by wykrywało i mierzyło wszystkie szkodliwe gazy w atmosferze łącznie z dostarczeniem informacji o ich rozkładzie. Ale np. obecnie prowadzimy badania mające na celu rozszerzenie możliwości lidaru o taką substancję jak fosgen.  Tym szkodliwym gazem może być  skażone  powietrze  w  miastach, w których zlokalizowane są zakłady chemiczne, np. w Bydgoszczy pewne ilości fosgenu emitują Zakłady Chemiczne Organika- Zachem. 

Lidar typu DIAL jest oparty na pomiarze absorbcji różnicowej, czyli muszą być zastosowane dwie wiązki laserowe o dwóch różnych długościach fali, z których jedna jest absorbowana, a druga nie jest absorbowana przez substancję, którą chcemy wykryć. Cząsteczki, które wykrywamy mają pasma absorbcji w bliskim nadfiolecie. Możemy np. badać zawartość ozonu w troposferze. Okazuje się bowiem, że o ile brak tego gazu w wysokich warstwach atmosfery powoduje groźny efekt cieplarniany, to jego nadmiar tuż nad Ziemią jest szkodliwy. Groźne są też substancje gazowe, jak np. tlenki azotu, będące następstwem spalin samochodowych. A samochodów przybywa.

Czy stać nas będzie na prowadzenie pomiarów ozonu w miastach? 

Koszt jednego dnia kampanii pomiarowej firmy zachodnie szacują na kilka tysięcy DM. Potrzebne są pieniądze na utrzymanie lidaru, na prowadzenie badań. Nasze przedsięwzięcie nie ma charakteru komercyjnego. Koszt pomiarów będzie znacznie niższy.  Chcemy np. mierzyć w Warszawie rozkłady  koncentracji tlenków azotu, ich ewolucję czasową nad różnymi arteriami miasta. Chcielibyśmy rozwinąć tutaj współpracę z państwowymi i wojewódzkimi służbami ochrony środowiska. Tego typu badania były prowadzone np. w Lyonie. Okazało się,  że najwięcej tlenków azotu występuje niekoniecznie  tam gdzie są one produkowane, to znaczy nie przy najruchliwszych ulicach, jeśli są one dobrze wentylowane a gromadzą się one  w małych uliczkach. Przede wszystkim jednak do końca tego roku zamierzamy zakończyć pomiary  skażeń atmosferycznych nad granicą polsko-niemiecką. Koncentrujemy się głównie na Czarnym Trójkącie - obszarze u zbiegu trzech granic: Polski, Niemiec i Czech, do niedawna uważanym za najbardziej zdegradowany region w Europie. Prowadziliśmy pomiary w samym Turowie, gdzie elektrownia Turoszowska jest głównym  źródłem emisji. W planie mamy Bogatynię, zagłębie miedziowe.   

W Czarnym Trójkącie istnieje wiele stacjonarnych stacji monitoringowych.

Nasz lidar ma większe możliwości niż stacje monitoringowe. Mierzy zanieczyszczenia nie tylko lokalnie, ale też ich rozkład w przestrzeni, z wysoką rozdzielczością przestrzenną i na odległość kilku kilometrów.  Możemy zatem śledzić ewolucję rozprzestrzeniania się tych zanieczyszczeń, ich kierunek i zmiany spowodowane m.in. warunkami atmosferycznymi. Wyniki naszych pomiarów porównujemy z  danymi uzyskanymi ze stacji monitoringowych.  

Jak wypadł Czarny Trójkąt?

Kiedy występowaliśmy  o finansowanie tego projektu do Fundacji Współpracy Polsko-Niemieckiej zanieczyszczenie powietrza w Czarnym Trójkącie było dużo większe niż obecnie i wszystko wskazuje na to, że będzie dalej spadać. Obecnie stężenie dwutlenku siarki jest na granicy naszych możliwości pomiarowych. Dla regionu Turoszowskiego to dobra wiadomość i dla stosunków polsko-niemieckich też.

Typów lidarów jest wiele  

Ten lidar pracuje w obszarze bliskiego nadfioletu i promieniowania widzialnego, które jest wynikiem wykorzystania drugiej lub trzeciej harmonicznej lasera szafirowego, pracującego na granicy czerwieni i podczerwieni. DIAL jest tym typem lidara, który dzisiaj ma zdecydowanie największe wzięcie w ochronie środowiska. Z lidarów korzysta meteorologia. W Stanach Zjednoczonych lidary umieszcza się na satelitach (program NASA). Określają na przestrzeni kilkudziesięciu kilometrów rozkłady temperatury, wilgotności, ciśnienia, a także prędkości wiatru. Wykrywają pojawianie się huraganów, a nawet mogą określać rozmiary oka tajfunu.

Ile takich urządzeń jest w Europie?

- W Europie takich lidarów jak nasz jest zaledwie kilka. Większość z nich mierzy ozon, dwutlenek siarki i tlenek azotu. Wykrywanie toluenu i benzenu jest oryginalnym rozwiązaniem. Długość fali dla benzenu jest już na skraju możliwości widmowych.  Nasz lidar typu DIAL jest najnowocześniejszym w Polsce. Ponadto jest lidarem ruchomym, zainstalowanym na samochodzie.  Ale  historia lidarów w naszym kraju jest dłuższa i zaczęła się na początku lat 60. Pierwsze próby  prowadzone były w stacji geofizycznej PAN  w Belsku, niedługo po skonstruowaniu pierwszego w świecie lasera  rubinowego. Potem powstał lidar stacjonarny, również typu DIAL, w Gdańsku, a w Krakowie sodary - urządzenia oparte na falach akustycznych, wygodne np. do pomiarów szybkości wiatru. Lidar umieszczony na samochodzie i zbudowany w latach 80  na Politechnice Poznańskiej w perspektywie miał być lidarem typu DIAL.

Fizycy dotychczas nie zajmowali się ochroną środowiska?

Taka specjalizacja powstala na Wydziale Fizyki UW dwa lata temu. Gwarancją sukcesu naszego programu dydaktyczno-badawczego jest udział w nim zakładów należących do Instytutu Fizyki Doświadczalnej UW, Pracowni Przetwarzania Informacji (zdjęć satelitarnych) Instytutu Geofizyki i, co bardzo ważne, współpraca z Freie Universität Berlin. Mamy również na UW Międzywydziałowe Studia Ochrony Środowiska i studentom przekazujemy informacje o lidarze i fizycznych metodach badania środowiska. Nasze działania dydaktyczne bardzo efektywnie wspiera NFOŚ.

Rozmawiała Krystyna Forowicz
Co to jest lidar? 
PROF. KRZYSZTOF  ERNST: Jest to urządzenie pozwalające wyznaczać zanieczyszczenia atmosfery metodami optycznymi. Wykrywa ozon, dwutlenek siarki, tlenki azotu, benzen, toluen. staramy się rozszerzyć jego zastosowanie na inne substancje występujące w atmosferze. Badania, które prowadzimy, są zainicjowane i finansowane  przez Fundację Współpracy Polsko-Niemieckiej. zamierzamy zakończyć pomiary  skażeń atmosferycznych nad granicą polsko-niemiecką. Nasz lidar ma większe możliwości niż stacje monitoringowe. Możemy śledzić ewolucję rozprzestrzeniania się zanieczyszczeń, ich kierunek i zmiany. Gwarancją sukcesu naszego programu dydaktyczno-badawczego jest udział w nim zakładów należących do Instytutu Fizyki Doświadczalnej UW, Pracowni Przetwarzania Informacji Instytutu Geofizyki i współpraca z Freie Universität Berlin.