A novel atmospheric lidar technology: From monitoring climate change over meteorological data at spaceports to the impact of space debris

हमारे ऊपर की हवा खाली स्थान नहीं है; यह गैस का एक गतिशील, परिवर्तनशील महासागर है जो ज़मीन से अंतरिक्ष के किनारे तक फैला हुआ है। दशकों से, वैज्ञानिक समझते आए हैं कि मौसम की भविष्यवाणी करने या जलवायु परिवर्तन को ट्रैक करने के लिए, उन्हें यह जानने की आवश्यकता है कि यह महासागर कैसे चलता है और हर स्तर पर यह कितना गर्म या ठंडा है। हालाँकि, एक महत्वपूर्ण अंधा क्षेत्र बना हुआ है। जबकि हमारे पास ज़मीन के पास की हवा को मापने के लिए उत्कृष्ट उपकरण हैं और उपग्रह हैं जो ऊपरी परतों में झाँक सकते हैं, मध्य का विशाल क्षेत्र—पाँच से एक सौ किलोमीटर ऊपर तक—सटीकता के साथ देखा जाना कठिन बना हुआ है। यह अंतराल महत्वपूर्ण है क्योंकि यहीं वह स्थान है जहाँ मौसम प्रणालियाँ ऊपरी वायुमंडल के साथ परस्पर क्रिया करती हैं, जहाँ रॉकेट लॉन्च होते हैं, और जहाँ पुराने उपग्रह पुन: प्रवेश करते समय जलकर नष्ट हो जाते हैं। इस क्षेत्र से निरंतर, उच्च-रिज़ॉल्यूशन डेटा के बिना, हमारे ग्रह के भविष्य के मॉडल और आकाश में हमारी सुरक्षा अधूरी रहती है।

तकनीक की एक नई पीढ़ी अब इस अंतर को पाट रही है। फ्रैउनहोफर इंस्टीट्यूट फॉर लेजर टेक्नोलॉजी और लाइबनिज़ इंस्टीट्यूट ऑफ एटमॉस्फेरिक फिजिक्स के शोधकर्ताओं ने एक कॉम्पैक्ट, स्वायत्त उपकरण विकसित किया है जो ज़मीन से लेकर 120 किलोमीटर ऊपर तक, दिन और रात, संपूर्ण वायुमंडल को स्कैन करने में सक्षम है। यह उपकरण, जो एक प्रकार का लेजर रडार यानी लिडार (lidar) है, केवल धूल से प्रकाश को टकराकर वापस नहीं भेजता; यह हवा में परमाणुओं और अणुओं के प्राकृतिक "फिंगरप्रिंट्स" से मेल खाने वाले विशिष्ट रंगों में अपने लेजर को ट्यून करने की एक परिष्कृत विधि का उपयोग करता है। ऐसा करके, यह हवा की गति, तापमान और सूक्ष्म कणों की उपस्थिति को उस स्पष्टता के साथ माप सकता है जो पहले असंभव थी, विशेष रूप से चमकीले दिन के उजाले में जब सूरज आमतौर पर ऐसे नाजुक संकेतों को धुंधला कर देता है।

इस उपलब्धि का मूल आधार एक ऐसा लेजर सिस्टम है जो अविश्वसनीय रूप से सटीक और उल्लेखनीय रूप से मजबूत है। पुराने, भारी-भरकम सिस्टम के विपरीत जिन्हें विशाल दर्पणों और उच्च-ऊर्जा पल्स की आवश्यकता होती थी, यह नया उपकरण मात्र एक क्यूबिक मीटर के स्थान में समा जाता है, जो लगभग एक बड़े रेफ्रिजरेटर के आकार का है। यह एलेक्जेंड्राइट (alexandrite) नामक एक विशेष प्रकार के लेजर क्रिस्टल का उपयोग करता है, जिसे अतीत के भारी फ्लैशलैंप के बजाय कुशल डायोड मॉड्यूल द्वारा पंप किया जाता है। यह लेजर को एक शुद्ध रंग बनाए रखते हुए प्रति सेकंड सैकड़ों बार पल्स फायर करने की अनुमति देता है। इस डिज़ाइन की प्रतिभा इसकी रंगों को तेज़ी से ट्यून करने की क्षमता में निहित है, जो इन्फ्रारेड और अल्ट्रावॉयलेट प्रकाश के बीच बदलता रहता है। यह लचीलापन उपकरण को विभिन्न मापन मोड के बीच स्विच करने की अनुमति देता है: यह धूल और धुएं जैसे एरोसोल की गति को ट्रैक कर सकता है, हवा और तापमान निर्धारित करने के लिए हवा के अणुओं की गति को माप सकता है, या यहाँ तक कि हवा में तैरते लोहे और पोटेशियम जैसे विशिष्ट धातु परमाणुओं पर ध्यान केंद्रित कर सकता है।

दिन के दौरान इन मापों को सफल बनाने के लिए, टीम ने एक बड़ी समस्या को हल किया: सूरज की अत्यधिक चमक। सूरज का प्रकाश एक बाढ़ की तरह है जो लेजर की मंद गूँज को दबा देता है। शोधकर्ताओं ने एक ऐसा रिसीवर बनाया है जो एक अत्यधिक चयनात्मक फिल्टर के रूप में कार्य करता है, जो लेजर के ठीक उसी संकीर्ण रंग के लिए ट्यून किया गया है। क्योंकि लेजर को सूर्य के स्पेक्ट्रम में एक विशिष्ट "डार्क लाइन" (अंधेरी रेखा) पर ट्यून किया गया है—एक ऐसी जगह जहाँ सूर्य स्वाभाविक रूप से बहुत कम प्रकाश उत्सर्जित करता है—पृष्ठभूमि का शोर काफी कम हो जाता है। यह "सोलर ब्लाइंडनेस" (सौर अंधापन) सिस्टम को तब भी वायुमंडल से आने वाले मंद सिग्नल को देखने की अनुमति देता है जब सूरज सीधे उस पर चमक रहा हो। परिणाम एक ऐसी मशीन है जो स्वायत्त रूप रूप से, 24 घंटे, बिना किसी मानवीय हस्तक्षेप के डेटा का निरंतर प्रवाह प्रदान करने के लिए संचालित हो सकती है।

इस प्रणाली द्वारा एकत्र किया गया डेटा उस विवरण की दुनिया को प्रकट करता है जो पहले छिपा हुआ था। निचले वायुमंडल में, यह उपकरण केवल 50 मीटर के रिज़ॉल्यूशन के साथ हवा के पैटर्न और विक्षोभ (turbulence) का मानचित्रण कर सकता है, जो उन सूक्ष्म बदलावों का पता लगा सकता है जो विमान सुरक्षा या विंड फार्मों की दक्षता को प्रभावित कर सकते हैं। यह बादलों के माध्यम से देख सकता है ताकि उनके ऊपर की हवा की गति को माप सके, जो मौसम प्रणालियों के विकास को समझने के लिए अत्यंत महत्वपूर्ण है। जैसे-जैसे लेजर ऊपर स्ट्रैटोस्फीयर और मेसोस्फीयर में पहुँचता है, यह स्वयं हवा के अणुओं पर अपना ध्यान केंद्रित करता है। यहाँ, यह 50 किलोमीटर तक तापमान और हवा की गति को मापता है, जिससे एक ऐसा डेटा अंतराल भर जाता है जो लंबे समय से जलवायु मॉडलों के लिए समस्या बना हुआ है। उपकरण ने पहले ही ग्रेविटी वेव्स (गुरुत्वाकर्षण तरंगों) का पता लगाने की क्षमता प्रदर्शित की है—वायुमंडल में उठने वाली लहरें जो ऊर्जा को निचले मौसम प्रणालियों से ऊपरी हिस्सों तक स्थानांतरित करती हैं—जो पृथ्वी के चारों ओर ऊर्जा कैसे घूमती है, इसका एक स्पष्ट चित्र प्रदान करती हैं।

इस तकनीक का एक सबसे महत्वपूर्ण अनुप्रयोग अंतरिक्ष में बढ़ते ट्रैफ़िक की निगरानी करना है। जैसे-जैसे वाणिज्यिक अंतरिक्ष उड़ान का विस्तार हो रहा है, रॉकेट लॉन्च होने और उपग्रहों के पुनः प्रवेश के समय जलकर नष्ट होने की संख्या तेजी से बढ़ रही है। जब ये वस्तुएं विघटित होती हैं, तो वे ऊपरी वायुमंडल में धातु के कण और उत्सर्जन छोड़ती हैं, जो संभावित रूप से उस हवा के रासायनिक संतुलन को बदल सकते हैं जिसे हम सांस लेते हैं। नया लिडार इन अवशेषों को उच्च संवेदनशीलता के साथ पकड़ सकता है। लोहे जैसे धातुओं की अनुनाद रेखाओं (resonance lines) पर ट्यून करके, जो लगभग 60 किलोमीटर की ऊंचाई पर उपग्रहों के जलने पर निकलते हैं, यह प्रणाली इस मलबे के जमाव को ट्रैक कर सकती है। इसका उपयोग पहले ही एक साउंडिंग रॉकेट के उत्सर्जन प्लम (exhaust plume) को देखने के लिए किया जा चुका है, जो यह देखता है कि कण कुछ घंटों में वायुमंडल में कैसे फैलते हैं। यह क्षमता मानव अंतरिक्ष गतिविधियों का पृथ्वी के जलवायु और रसायन विज्ञान पर दीर्घकालिक प्रभाव को समझने के लिए महत्वपूर्ण है।

अंतरिक्ष मलबे के अलावा, यह तकनीक अंतरिक्ष के बिल्कुल किनारे का अध्ययन करने का एक नया तरीका प्रदान करती है, जहाँ वायुमंडल निर्वात (vacuum) से मिलता है। यह उपकरण धातु के परमाणुओं की परतों का पता लगा सकता है, जैसे कि पोटेशियम और लोहा, जो 80 से 120 किलोमीटर ऊपर मौजूद होते हैं। ये परतें 'ट्रेसर' के रूप में कार्य करती हैं, जो यह बताती हैं कि वायुमंडल कैसे चलता है और यह पृथ्वी के चुंबकीय क्षेत्र के साथ कैसे परस्पर क्रिया करता है। शोधकर्ताओं ने दिखाया है कि दिन के दौरान इन परतों का अवलोकन करके, वे अंतरिक्ष मौसम की उन घटनाओं के बारें में डेटा एकत्र कर सकते हैं जो संचार या बिजली ग्रिड में व्यवधान पैदा करने से पहले शायद अनसुनी रह जाती हैं। वास्तविक समय में इन अंतःक्रियाओं को मापने की क्षमता, उपग्रह के ऊपर से गुजरने का इंतज़ार किए बिना, अंतरिक्ष वातावरण की निगरानी करने की हमारी क्षमता में एक महत्वपूर्ण छलांग है।

इस प्रणाली की बहुमुखी प्रतिभा वायुमंडलीय विज्ञान के अन्य क्षेत्रों में भी विस्तृत है। यह दो विशिष्ट प्रकाश रंगों के बीच तेज़ी से स्विच करके जल वाष्प (water vapor) को माप सकता है, जो आर्द्रता के पूर्वानुमान में सुधार करने में मदद करने वाली एक तकनीक है। यह नोक्टिल्यूसेंट बादलों (noctilucent clouds) के निर्माण को भी ट्रैक कर सकता है, जो मेसोस्फीयर में बनने वाले वे चमकते, इलेक्ट्रिक-ब्लू बादल हैं जो जलवायु परिवर्तन के संवेदनशील संकेतक के रूप में कार्य करते हैं। चूंकि यह सिस्टम कॉम्पैक्ट और मोबाइल है, इसलिए इसे आर्कटिक से अंटार्कटिक तक, या लॉन्च स्थितियों की निगरानी के लिए स्पेसपोर्ट के पास तैनात किया जा सकता है। शोधकर्ताओं ने पहले ही प्रदर्शित किया है कि इन छोटे, किफायती इकाइयों का एक नेटवर्क एक एकल, विशाल और महंगे वेधशाला के समान कवरेज प्रदान कर सकता है, जिससे उच्च-ऊंचाई वाले वायुमंडलीय डेटा तक पहुंच का लोकतंत्रीकरण होगा।

यह कार्य इस दावे के साथ नहीं आता कि इसने वायुमंडल के हर रहस्य को सुलझा लिया है, बल्कि इसने इसे देखने के लिए एक शक्तिशाली नया उपकरण प्रदान किया है। शोध पत्र पुष्टि करता है कि तकनीक इच्छित रूप से काम करती है, जो दिन और रात, ज़मीन से लेकर अंतरिक्ष के किनारे तक हवा, तापमान और एरोसोल का उच्च-रिज़ॉल्यूशन माप प्रदान करती है। यह सुझाव देता है कि मध्य वायुमंडल में डेटा अंतराल को भरकर, हम मौसम की भविष्यवाणी में सुधार कर सकते हैं, जलवायु परिवर्तन को बेहतर ढंग से समझ सकते हैं, और हमारे आकाश में बढ़ते ट्रैफ़िक को सुरक्षित रूप से प्रबंधित कर सकते हैं। निष्कर्ष वास्तविक माप पर आधारित हैं जो कई दिनों और रातों में लिए गए हैं, जिसमें रॉकेट लॉन्च और प्राकृतिक वायुमंडलीय घटनाएं शामिल हैं। हालांकि ऑर्बिट में अंतरिक्ष मलबे को ट्रैक करने या चुंबकीय क्षेत्रों को मापने जैसे विशिष्ट कार्यों के लिए सिस्टम को अनुकूलित करने के लिए आगे के विकास की आवश्यकता है, लेकिन नींव रखी जा चुकी है। वायुमंडल अब कोई 'ब्लैक बॉक्स' नहीं है; इस नई दृष्टि के साथ, हम अंततः उन अदृश्य धाराओं को देख सकते हैं जो हमारी दुनिया और अंतरिक्ष में हमारे भविष्य को आकार देती हैं।