Аннотация результатов, полученных в 2022 году
1. Впервые прямыми измерениями исследована вариация эманации магматических газов (CO2, СН4, Н2О) из трещин над очагом вулканического центра Эльбрус в соответствии с барометрическим пампинг-эффектом модуляции давлением атмосферы, вызывающим раскрытие/закрытие трещин в земной коре. Концентрацию измеряли прямым методом с помощью макета газоанализатора непосредственно в тоннеле Баксанской нейтринной обсерватории (БНО) методом диодной лазерной спектроскопии с высоким разрешением. Выявлены и показаны примеры выхода газов CO2, СН4, Н2О и сигнала лидара рассеяния на аэрозолях, а также давление атмосферы. Из данных зависимостей видно, что вариации концентраций CO2 и СН4 симбатны и имеют два отчётливых пика, которые антикоррелируют с величиной атмосферного давления в соответствии с пампинг-эффектом: снижение/повышение давления открывает/закрывает трещины и увеличивает/уменьшает вероятность выхода газов. При этом отметим, что динамика «выхода» паров Н2О лучше коррелирует с лидарным сигналом аэрозолей. Заметны их отличия от динамики выхода газов, что свидетельствует о значительном вкладе в формирование аэрозолей и сигнал лидара паров воды, которые поступают в тоннель не только вместе с магматическими газами, но по другим каналам транспорта (поры, щели). 2. Проведён анализ работы созданных аэрозольных лидаров с безопасной для глаз плотностью энергии <1 мкДж/см2 в сложных условиях горячего тоннеля БНО, изучена физика формирования сигнала рассеяния на магматических аэрозолях в виде гистограмм фотоотсчётов однофотонного лавинного фотодиода. Разработанные лидары были собраны на базе импульсных диодных лазеров (передатчик, 910 нм, 3 нс, <1 мкДж/см2, частота повторения импульсов 10 кГц) и однофотонных лавинных фотодиодов. Полевые эксперименты в тоннеле БНО над очагом вулкана Эльбрус выявили хорошую корреляцию между магматическим аэрозолем и деформацией земной коры, вызванной лунными и солнечными приливами, количественно измеренной наклономером и лазерным деформографом. Результаты измерений лидаром и данные разных сенсоров поступают в режиме реального времени в ИОФ РАН, а также представлены в реальном времени в сети Интернет [http://lidarbno.freeddns.org]. 3. Впервые обнаружен и исследован новый режим генерации наносекундного инжекционного диодного лазера, в котором 4-нс импульс (протяжённостью 1,2 м) обладает пикосекундным фронтом-ступенькой (~200 пс, протяжённость 0,06 м). Предложен новый режим работы лидара, согласно которому однофотонный лавинный фотодиод при высокой оптической нагрузке (вероятность регистрации отсчётов >50%) обеспечивает работу лидара как при использовании импульса пикосекундного лазера. Такой режим позволяет повысить точность измерений лазерным дальномером до 12 раз, что является эффективной альтернативой применению в лидарах дорогостоящих пикосекундных лазеров. 4. Анализ данных, полученных ранее (см. отчёт 2021 г.), при одновременном совпадении экстремумов сигнала лидара с аномально большой амплитудой, повышения температуры и вспучивания коры (наклономер) синхронно с расширением коры Земли (деформограф), позволил обнаружить ещё одну особенность. Мы обратили внимание на отрицательную часть биполярной формы пика сигнала лидара рассеяния на аэрозолях. Принимая во внимание роль влажности в формировании аэрозолей, мы совместили вариации влажности и аэрозолей и обнаружили симбатную зависимость обоих сигналов биполярной формы. Отсюда следует ещё одно подтверждение того, что наклонная трасса зондирования весьма «чувствительна» к образованию дымки-тумана в местах контакта холодного и тёплого воздуха из-за реверсии конвекции в горячем тоннеле БНО. Тогда биполярный характер просветления-затемнения трассы аэрозолями и парами воды, а именно, фаза просветления (выброс вниз), обусловлен наиболее вероятным здесь процессом испарения дымки тумана с центров конденсации. Центрами конденсации здесь могут быть, например, магматическая пыль, выносимая в объём тоннеля магматическими газами, или ионы, детектор которых был бы весьма востребован для параллельных измерений. 5. Разработан аэрозольный лидар с двумя приёмными каналами, соответствующих рассеянию на каплях водного пара (без деполяризации рассеянного назад пучка лазера из-за сферической симметрии капель) и на твёрдых частицах пыли, поднятых магматическими газами (с деполяризацией рассеянного излучения на несферических частицах), что позволит различить эти два вида аэрозоля. 6. Разработан макет лидара дифференциального поглощения на базе диодных лазеров с перестраиваемой частотой для зондирования магматических газов (CO2, CH4, H2O), включая изотоп-замещенные молекулы 12СО2 и 13СО2. Известно, что вариация отношения концентраций этих изотопов отражает вулканическую активность. Проведена юстировка макета лидара на длине трассы, сопоставимой с длиной горячего тоннеля БНО, и проведена калибровка в условиях лаборатории на сертифицированной смеси газов.

Аннотация результатов, полученных в 2023 году
1. Впервые проведено систематическое исследование зависимости сигнала лидарного рассеяния на аэрозолях от концентрации аэроионов. Обнаружена сильная корреляция (ρ=0.9997) между сигналом лидара (прозрачность атмосферы) и коэффициентом униполярности аэроионов. Обнаруженную корреляцию объяснили генерацией водного аэрозоля, который формируется при гидратации аэроионов как центров конденсации, о чём свидетельствует выявленная нами задержка роста концентрации аэрозолей (минимум прозрачности) от концентрации ионов. Сочетание высокой чувствительности измерения аэрозолей, корреляции лидарного сигнала и безопасности для глаз делает разработанный прибор очень перспективным для картирования распределения аэроионов, в том числе, и с временным разрешением. Таким образом, аэрозольные лидары в перспективе позволят оперативно отслеживать места аномальных вариаций аэроионов, что позволит повысить достоверность обнаружения регистрируемых событий. 2. Продемонстрировано, что при лазерном зондировании аэрозолей и газовой среды в максимально удаленной от входа точке тоннеля БНО можно уменьшить влияние внешних факторов на измерения и избежать потерь рядов данных при долговременных непрерывных измерениях. 3. Создан и испытан двухканальный аэрозольный лидар для селекции аэрозолей из твердых и жидких частиц по степени деполяризации зондирующего излучения. Лидар установлен в подвальном помещении Института вулканологии и сейсмологии ДВО РАН (п-ов Камчатка) для долговременных непрерывных измерений динамики аэрозолей. 4. Впервые обнаружена асимметрия сигналов лазерного деформографа в Баксанской нейтринной обсерватории (БНО) в Приэльбрусье в момент первого и второго землетрясений в Турции (06.02.2023) почти одинаковой магнитуды. Выявлена корреляция сигналов лазерного деформографа и температуры внутри скального основания в глухом тоннеле БНО, а также корреляция с сигналами аэрозольного лидара во время второго землетрясения с магнитудой 7.7 в Турции 10:24 UTC 6 февраля 2023 г. 5. Проведен кросс-спектральный анализ результатов почти годового лидарного мониторинга выделения аэрозолей из коры Земли в тоннеле Баксанской нейтринной обсерватории Института ядерных исследований РАН (БНО ИЯИ). Установлено, что ~40% энергии сигнала лидара определяются вариацией метеорологических факторов – атмосферного давления (эффект «барометрической откачки») и влажности. Существенно, что в модуляции сигнала присутствуют составляющие деформации коры лунно-солнечными приливными волнами М2 и О1. Статистически обоснована перспективность лидара как нового инструмента мониторинга локальной сейсмической активности по вариациям корового аэрозоля. 6. Разработан лидар видимого диапазона на базе второй гармоники Nd3+:АИГ лазера и однофотонного приёмника для поиска и отработки оптимальных режимов зондирования (обратного рассеяния и пропускания трассы) сильно рассеивающих и оптически плотных сред (сильные туманы, аэрозольная дымка в тоннелях). Впервые зарегистрирован сигнал обратного рассеяния от непрозрачного объекта сквозь слой воды толщиной 9 м при использовании безопасного для глаз уровня плотности энергии лазерного импульса (~1 мкДж/см2, 532 нм, 3 нс, 2 мкДж) и чувствительного приёмника на основе стробируемого однофотонного лавинного фотодиода (SPAD). Отметим, что рассеяние от стены на двойном проходе (18-м слой воды) регистрировали с большим отношение сигнал/шум (~35), что позволяет в несколько раз увеличить длину трассы зондирования. Полученные результаты подтвердили универсальность разработанных при выполнении проекта лидаров для зондирования в средах с малой и большой оптической плотностью.