Аннотация результатов, полученных в 2019 году
В 2019 году впервые, насколько нам известно, разработан уникальный, не имеющий отечественного (возможно и зарубежного) аналога, компактный (масса приёмо-передающего блока около 150 грамм) лидар с безопасным для глаз уровнем излучения (плотность энергии < 1 мкДж/см2) на основе импульсного диодного лазера и однофотонного приёмника на кремниевом лавинном фотодиоде. Для значительного сокращения длительности импульса генерации был разработан генератор коротких импульсов тока для накачки диодного лазера. Получена генерация с рекордно короткой длительностью ~2.7 нс и частотой повторения импульсов 8 кГц. Далее была разработана компоновочная и оптическая схема компактного аэрозольного лидара обратного рассеяния с учётом размеров печатных плат управления лидаром. После изготовления, отладки и юстировки макета лидара была отработана линия связи и дистанционного управления режимом работы лидара через интернет в целях обеспечения доступа и оперативного анализа текущих данных эксперимента по зондированию вариаций тектонических аэрозолей на удалённом полигоне. После согласования программы совместных работ с руководством Баксанской нейтринной обсерватории (БНО) ИЯИ РАН по зондированию вариаций тектонических аэрозолей в окрестности вулкана Эльбрус в тоннелях БНО лидар был доставлен в БНО в июле 2019 г. В качестве тестовых испытаний лидара для зондирования сильно флуктуирующих (из-за приточной вентиляции) аэрозолей был выбран наклонный тоннель недалеко от Баксанского подземного сцинтилляционного нейтринного телескопа БНО. Впервые нам удалось обнаружить и зарегистрировать многослойные туманы с перемещающимся фронтом. Зондирование аэрозолей и туманов проводили в течение двух месяцев (июль-август). При этом лидар зондировал трассу каждые 30 минут с усреднением данных по 100 000 импульсов лазера в каждом сеансе измерений. Данные сохраняли в компьютере и считывали их удалённо по линии связи через Интернет. Большие флуктуации аэрозолей маскировали вклад тектонических аэрозолей в лидарный сигнал. Частично эти результаты опубликованы в «Кратких сообщениях по физике ФИАН» и представлены на международной конференции. Более значимые научные результаты по зондированию тектонических аэрозолей были получены в горячем тоннеле Геофизической лаборатории №2 ИФЗ РАН в БНО над магматической камерой вулкана Эльбрус при размещении здесь лидара в августе 2019 г. после доработки системы охлаждения приёмника. Измерения лидаром были дополнены одновременным детектированием тектонического газа радона коммерческим датчиком RADEX MR107. За короткий срок, впервые был выявлен сезонный тренд снижения выхода тектонических аэрозолей, которые выносятся вулканическими газами со спорадическими выбросами. Впервые Фурье-анализ измеренного лидаром сигнала показал, что выбросы аэрозоля из магматической камеры вулкана Эльбрус модулированы суточным и полусуточным периодами, характерными для деформации коры Земли. Лидарное зондирование аэрозолей продолжается по настоящее время для изучения динамики процессов в магматической камере вулкана Эльбрус и выявления корреляции выбросов аэрозолей с катастрофическими явлениями. Существенно, что полученные результаты позволили подготовить и подписать соглашение о международном сотрудничестве с Университетом г. Саппоро, Япония по лидарному зондированию аэрозолей в тоннеле лазерного деформографа с длиной плеча 80 м на тектоническом разломе на мысе Эримо (остров Хоккайдо). Результаты работы опубликованы в журналах Optics Letters, «Краткие сообщения по физике ФИАН», представлены и обсуждены на международных конференциях в Болгарии и в США.

Аннотация результатов, полученных в 2020 году
С июля 2019 по июнь 2020 впервые, насколько нам известно, проведён длительный непрерывный мониторинг вариаций магматических газов и аэрозолей в тяжёлых условиях тоннелей Баксанской нейтринной обсерватории ИЯИ РАН (43°14’55.9”N, 42°43’19.9”E) над очагом вулкана Эльбрус уникальным, не имеющим отечественных аналогов лидаром. Впервые на таком протяжённом интервале зарегистрированы сезонные вариации выхода аэрозолей, синфазные со сжатием-растяжением коры Земли (измеренным лазерным деформографом) как каналом сравнения с абсолютной величиной и знаком деформации коры Земли. Фурье-анализ аэрозольных выбросов однозначно показал, что периодические выбросы аэрозолей индуцированы приливными волнами. Совокупность полученных результатов даёт основание заключить, что компактный аэрозольный лидар можно считать независимым индикатором деформации коры Земли. Далее было установлено совпадение по времени скачков температуры в тоннеле (по данным прецизионного термометра ИФЗ РАН) и скачков выхода аэрозолей (по данным лидара), которое указывает на то, что тоннель подогревается не только диффузионным теплом вулканического очага, но и выбросами горячих магматических газов, выносящих аэрозоли в атмосферу тоннеля. Также выявлена корреляция выхода радона и паров воды (влажность), что является дополнительным аргументом о выносе магматических газов как факторе, который свидетельствует о тектонических процессах. Так, нам удалось впервые обнаружить и зарегистрировать 3-кратный скачок выхода аэрозолей 28.10.2019 в 22:53 UTC. Отметим, что новый уровень выхода аэрозолей промодулирован, как и прежде, короткими выбросами повышенной амплитуды и частоты. Следует отметить, что лазерный деформограф и наклономер не зарегистрировали существенных изменений сигналов во время обнаруженного скачка. Несомненно, что обнаруженный лидаром 3-кратный скачок выхода аэрозолей открывает новые возможности мониторинга деформации коры Земли, недоступные другим индикаторам. Интересным и неясным пока остаётся факт почти 2-часового опережения этим скачком выхода аэрозолей момента землетрясения на Филиппинах 29.10.2019 в 01:04:40 UTC. Между скачком выхода аэрозолей и упомянутым землетрясением нет прямой связи, поскольку поперечные приливные волны земной коры (Лява, L и Релея, R) были зарегистрированы деформографом в 01:39:46 и в 01:49:48, соответственно. Однако, дальнейшее изучение механизма такого интенсивного скачка аэрозолей необходимо для выявления связи между сейсмическими явлениями и закономерностями в выходе аэрозолей. Для этого на следующем этапе запланированы измерения новой версией лидара совместно с анализом выходящих тектонических газов. Существенно, что полученные результаты являются хорошим базисом для сравнения сигнала деформации коры Земли и лидарного сигнала выхода аэрозолей в соответствии с запланированными совместными работами с Университетом Хоккайдо в г. Саппоро (Япония) по лидарному зондированию аэрозолей в тоннеле лазерного деформографа с длиной плеча 80 м на тектоническом разломе на мысе Эримо (остров Хоккайдо), когда эпидемиологическая ситуация в мире улучшится. Результаты работы опубликованы в журналах Laser Physics Letters, Письма в ЖЭТФ, Доклады Академии наук: Серия физическая, представлены и обсуждены на международных конференциях в г. Созополь (Болгария) и в Санкт-Петербурге (Россия).

Аннотация результатов, полученных в 2021 году
В 2021 году были выполнены работы по следующим направлениям: разработка и изготовление лидара новой версии на диодном лазере с уменьшенной расходимостью пучка лазера и поля зрения приёмника с профилированной диафрагмой прямоугольного сечения и лазерным визиром-видоискателем. Выбор и обоснование новой трассы лидарного мониторинга аэрозолей, выносимых в тоннель из очага вулкана, с её погружением в слой тяжёлых магматических газов (12СO2 и 13СO2, H2S, 222Rn) параллельно основанию тоннеля. Был проведён анализ данных, полученных ранее, и текущих результатов лидарного зондирования, а также отобраны пробы магматических газов, поступающих в тоннели БНО из очага вулкана Эльбрус, и проведён их спектральный анализ на лазерном анализаторе высокого разрешения в ИОФ РАН. Анализ состава подтвердил вынос в тоннели 12СO2 и 13СO2, H2S – сугубо магматических газов из очага. Открыты новые, неизвестные ранее, явления в горячем тоннеле – разнонаправленная модуляция сжатия коры Земли и увеличение выхода аэрозолей, формирование инверсии вертикального профиля температуры, когда прохладный слой воздуха находится выше горячего у основания; а также реверсию циркуляции воздуха вдоль горячего тоннеля, когда прохладный воздух из штольни втягивается в тоннель под его сводом. Обсуждается физика этих явлений на основе погружения тяжёлых и горячих магматических газов к наклонному основанию тоннеля, по которому они стекают в штольню, создавая разряжение у глухой стены тоннеля. Проведён гармонический анализ данных лидарного мониторинга аэрозолей и деформации коры Земли, измеренной лазерным интерферометром-деформографом, а также метеопараметров (влажность, давление и температура атмосферы) в тоннелях Баксанской нейтринной обсерватории (БНО) ИЯИ РАН. Рассчитаны фазовые портреты и сдвиги фаз вариаций метеопараметров относительно данных лидарного сигнала рассеяния на аэрозолях. Выявлена высокая степень влияния (до 70%) влажности внешней атмосферы как маскировочного фактора на модуляцию сигнала лидара. Обнаружено кратное (до 300 %) увеличение в форме коротких (~2 часа) импульсов лидарного сигнала рассеяния на его сезонном снижении в тоннеле-тупике БНО над очагом вулкана Эльбрус. Установлено совпадение короткопериодического увеличения концентрации аэрозоля с выходом радона (222Rn) и повышением влажности. Измерены немонотонный нетривиальный профиль температуры с инверсией в объёме тоннеля, а также высокая концентрация тяжёлых магматических газов (12СO2 и 13СO2), поступающих из очага вулкана Эльбрус. Совокупность данных указывает на импульсную генерацию туманов и коэффициента рассеяния. Продемонстрирована высокая чувствительность компактного лидара к вариациям аэрозолей над очагом вулкана [С.М. Першин и др., Лидарное детектирование аэрозолей в тоннеле над очагом вулкана Эльбрус, Краткие сообщения по физике ФИАН, принята к печати в 2022г.]. Главным результатом поиска сигналов активности вулкана Эльбрус можно считать обнаруженную синхронизацию сигналов лидарного зондирования аэрозоля и десятка независимых, сенсоров, включая приборы геофизической лаборатории №703 ИФЗ РАН: два наклономера с ориентацией Север-Юг и Восток-Запад, давление, температура и влажность. Так, кратный рост лидарного сигнала сопровождался увеличением выхода магматических СО2 и сопутствующих Н2О, а также температуры. Вариация сигнала лидарного зондирования совпала по времени с моментом изгиба коры Земли, измеренного наклономерами, причём по-разному – вдоль горячего тоннеля (С-Ю) в виде монотонного наклона, тогда как вдоль штольни БНО (В-З) в виде волны. Механизм обнаруженной синхронизации динамики выноса магматических газов и вспучивание коры Земли над очагом вулкана Эльбрус пока до конца неясен и требует изучения. Отметим, что разработанный аэрозольный лидар обладает высокой чувствительностью: лидарный сигнал варьировался кратно, тогда как влажность и концентрация магматических газов как СО2 и Н2О– на несколько процентов.