Lietuvių mokslininkė kuria jutiklius, kurie padės geriau suprasti stratosferoje vykstančius procesus

Stratosfera – tai antrasis Žemės atmosferos sluoksnis, prasidedantis kiek aukščiau nei skraido keleiviniai lėktuvai ir besitęsiantis dar keliskart tiek pat į aukštį per visą ozono sluoksnį iki maždaug 50 km. Dėl ozono savybės sugerti trumpabangius ultravioletinius Saulės spindulius, viršutinis stratosferos sluoksnis yra šiltesnis (gali siekti 0 ºC), kai tuo tarpu žemesnysis siekia ir -60 ºC.

Stratosfera svarbi kiekvienam iš mūsų, nes apsaugo odą ir akis nuo kenksmingos ultravioletinės spinduliuotės, prisideda prie Žemę pasiekiančios ir paliekančios spinduliuotės balanso bei klimato sistemos stabilumo, o, pavyzdžiui, staigūs stratosferos atšilimai gali pakeisti žiemos orus Europoje ar Šiaurės Amerikoje.

Net ir nedideli pokyčiai stratosferoje gali turėti reikšmingą poveikį Žemės klimatui, tad ši atmosferos sritis susilaukia vis daugiau mokslininkų dėmesio. Ne išimtis ir lietuviai. Fizinių ir technologijos mokslų centro (FTMC) Optoelektronikos skyriaus fizikė dr. Dovilė Čibiraitė-Lukenskienė kuria jutiklius, kurie būtų taikomi atmosferos dujų spektroskopijai – metodui, kai, pasitelkiant šviesą, galima daug sužinoti apie oro sudėtį ar jos kitimą.

Pirštų atspaudų rasime ir danguje

Naujieji jutikliai skirti veikti 2–5 terahercų (THz) bangų ruože. Viena jo savybių yra jautrumas įvairiems dujų molekulių virpesiams – savotiškiems medžiagų „pirštų atspaudams“, o tai galima pritaikyti stebint klimato kaitos reiškinius.

„Visos dujos turi savo „pirštų atspaudus“, vadinamąsias sugerties linijas tam tikruose dažniuose. Mūsų jutiklio užduotis – stebėti šią dujų spektrinę sugertį siekiant įvertinti kokios, kiek ir kaip pasiskirsčiusios dujos tiriamoje aplinkoje. Jei kalbėtume apie stratosferą, tokios dujos galėtų būti, pavyzdžiui, anglies dvideginis, azoto oksidas ar, ozonas“, – paaiškina FTMC tyrėja.

Vietoje sunkių „spintų“ – kompaktiška sistema

Pasak FTMC fizikės, kalbant apie klimato stebėjimą, maži jutikliai turėtų padėti spręsti didelę problemą. Tiesiogine prasme.

„Dabartiniai klimato kaitos modeliai remiasi duomenų rinkimu iš dujų srautų tekėjimo arčiausiai Žemės paviršiaus – troposferos ir žemuosiuose stratosferos sluoksniuose, – kur šie srautai yra daugmaž ištirti. Tad šiuo metu įdomu ištirti papildomus procesus vykstančius stratosferoje ir galinčius daryti įtaką Žemės klimatui“, – sako pašnekovė.

O kaipgi mokslinei įrangai pasiekti tokį aukštį? Į jį gali pakilti meteorologiniai arba moksliniai balionai. Meteorologiniai – palyginti nebrangūs ir gali nešti krovinius iki kelių kilogramų. Tuo tarpu moksliniai balionai, naudojami kosmoso agentūrų NASA ir ESA, yra ženkliai brangesni už meteorologinius, nes turi iškelti daug didesnio svorio mokslinę aparatūrą bei būti pritaikyti specialiems eksperimentams.

„Iki 2022-ųjų pabaigos veikė stratosferos tyrimų observatorija pavadinimu SOFIA, kurią finansavo NASA ir Vokietijos kosmoso agentūra. Tai buvo „Boeing 747SP“ lėktuvas, kuris skraidydavo iki 14 kilometrų aukštyje su 17 tonų sveriančiu teleskopu ir stebėdavo atmosferos dujų srautus pasitelkdamas pusę tonos sveriantį spektrometrą GREAT.

Sunku įsivaizduoti, kad tokias „spintas“ į norimą aukštį – viršutinę stratosferą – pakeltų balionas, o lėktuvai taip aukštai taip pat neskraido. Todėl reikia sukurti naujus metodus, kad matavimo įranga būtų lengvesnė, mažesnė ir pigesnė. Tikimės, kad mūsų kuriami jautrūs optoelektroniniai jutikliai su praplėstais dažnių ruožais galės pakeisti tam tikrus elementus lengvesnėse ateities sistemose“, – pasakoja dr. D. Čibiraitė-Lukenskienė.

Taigi, jutiklis būtų viena svarbi naujos sistemos dalis – o visą sistemą kartu kurtų skirtingų šalių mokslininkai. Tad Dovilė šiuo metu bendradarbiauja su Vokietijos kosmoso agentūra, turinčią patirtį vystant SOFIA observatorijoje naudotą sistemą, Lidso universitetu Jungtinėje Karalystėje, pagaminusiu galingiausią kvantinį kaskadinį lazerį šiai dažnių sričiai bei Miuncheno technologijos universitetu, sukūrusiu plačiajuostį terahercų šaltinį, kuris bus panaudotas vystant minėtus jutiklius.

Lietuvės pasiūlytas mokslinis projektas anglišku pavadinimu „Atmosphere spectroscopy using terahertz sensors dedicated to quantum cascade laser sensing“ skirtas šių jutiklių vystymui 2025-aisiais metais buvo įvertintas kaip naudingas visuomenei ir gavo Europos Sąjungos finansavimą podoktorantūros stažuotėms.

„Tikiuosi, kad pavyks mūsų jutiklius ištobulinti kuo greičiau, ir mūsų partneriai matys prasmę juos integruoti į jų kuriamas naujos kartos spektroskopines sistemas, tesveriančias 60 kg ir galinčias skristi į stratosferą pasitelkiant mokslinius balionus“, – sako FTMC mokslininkė, kuri jau sausio viduryje pirmąjį prototipą testuos stažuotės Lidso universitete metu, o projektą planuoja užbaigti 2027 m. viduryje.

Straipsnį parengė FTMC viešųjų ryšių ir komunikacijos specialistas Simonas Bendžius