2.8. ЛАЗЕРЫ В АГРОПРОМЕ

Особенности лазерного излучения привлекли внимание не только физиков, химиков, металлургов, оптиков. Оказалось, что и одна из древнейших сфер деятельности человека — сельскохозяйственная, нуждается во внедрении лазерных технологий. Пищевая промышленность, а также промышленность микробиологических препаратов стали использовать лазерное излучение. Уже сейчас применяется лазерная стимуляция посевного материала, лазерное дистанционное зондирование полей, космическое землеведение, лазерное прогнозирование состояния атмосферы, лазерное исследование качества зерна, лазерный контроль качества яиц и обработка мясных продуктов лазерным излучением. Ну и, конечно, лазерное излучение используется в машиностроении пищевой промышленности, например для обработки режущих инструментов, закалки подшипников и шестерен, контроля поверхностей и т. п.

При президиуме ВАСХНИЛ создан научно-методический совет по применению лазеров в сельскохозяйственных исследованиях и производстве. Он координирует и направляет ряд крупных работ. Одна из них заключается в лазерной обработке семян различных сортов пшеницы перед посевом. Такие исследования, поставленные довольно широко, проводятся под руководством профессора В. М. Инюшина. «Лазерный клин» казахстанских степей составляет десятки тысяч гектаров. Для обработки используется пшеница сортов «Харьковская 46», «Саратовская 36», озимая «Мироновская 808». Проведенные эксперименты показали, что лазерное облучение семян перед их высеиванием дает повышение урожайности до 12% [59].

Ряд экспериментов выполнен в Башкирии. В этом случае использовались яровые сорта пшеницы. Отмечено увеличение сбора зерна до 7... 16%. Кроме того, растения из этих семян отличаются более быстрыми темпами роста и развития по сравнению с обычными посевами.

В условиях Тургайской области Казахстана в течение четырех лет проводился эксперимент по анализу лазерного воздействия на ячмень. Для этого производилась предпосевная обработка семян сортов «Нутанс .970» и «Омский 3709». Контрольные цифры выявили повышение урожайности до 13...21%.

Широкие эксперименты проводятся и на землях Львовской области. Хлеборобы использовали яровой ячмень сорта «Эльгина» и озимый сорта «Белта». Обработку семян проводили на машинах, разработанных Львовскими приборостроителями. Результаты показали 10%-ную прибавку урожая. Экспериментальная установка для лабораторной обработки семян была названа «Львов-1. Электроника». Она собрана на гелий-неоновом и аргоновом лазерах. Один лазер работал в красной области спектра, другой - в ультрафиолетовой. Излучение лазеров с помощью короткофокусных линз расширяется до требуемого угла, обеспечивая тем самым определенную плотность излучения на поверхности, где размещались обрабатываемые семена- Промышленная установка «Львов-1» предназначалась для обработки больших объемов зерна, в ней использовался только гелий-неоновый лазер. Из бункера под действием собственного веса семена движутся по наклонному желобу длиной около метра. За это короткое время происходит их активация. Сначала семена облучаются красным светом неоновой лампы, изогнутой в несколько колен, а затем попадают под лазерный луч, который разворачивается с помощью шестигранного зеркала на всю ширину желоба. Предварительное облучение зерна светом в диапазоне 0,63... 0,65 мкм призвано подготовить семена к более эффективному восприятию монохроматического лазерного излучения. Эта установка, выпускаемая небольшой серией, отличается простотой в изготовлении и эксплуатации, высокой надежностью и компактностью. Масса установки всего 110 кг, обслуживается она одним человеком и имеет производительность до 7 т зерна в час.

Однако все приведенные выше эксперименты по повышению урожайности семян тех или иных растений под воздействием лазерного облучения дают эффект не более Для обработки семян использовалось излучение различной плотности. Увеличение плотности приводит к биологической порче зерна, малая плотность не дает желаемого результата. Эта проблема пока еще не решена.

В работе Ш. А. Безверхнего «Сельские профессии лазерного луча» приводятся результаты оценки взаимосвязи между энергией облучения семян и продуктивностью растений, из которых следует, что положенные в основу гипотезы о причинах повышения урожайности еще не

являются достоверными. Нужен дальнейший поиск. И на это направлены усилия целого ряда ученых [59].

Другая проблема, над которой работают ученые агропрома, состоит во внедрении методов программирования урожаев. По заранее разработанным программам выращивают урожаи в степных районах Украины, в Ростовской области, на Северном Кавказе, в Ленинградской области. Автоматизированная служба информации — плод коллективного искусства агронома, математика, физика, программиста — показала интересные практические возможности в ряде хозяйств. В информационном банке содержатся характеристики тысяч полей: структура почвы, потребности в питательных веществах, микроклимате. Данные уточняются и обрабатываются. Все чаще используется довольно новое слово: «мониторнинг», т. е. понятие, характеризующее систему наблюдений за элементами природной среды в пространстве и во времени по заранее разработанной программе. Агромониторнинг объединяет в себе биологический и геофизический аспекты проблемы. Он включает следующие блоки: наблюдение, прогноз состояния, оценка фактического состояния, принятие решения о регулировании качества почвы и растительности или об уборке урожая. И вот здесь пригодится лазерное зондирование. В книге Ш. А. Безверхнего говорится, что лазерное зондирование способно служить многим целям. При дистанционном фотометрировании с малых высот можно определить количественные характеристики поля: засоренность сорняками пашни и посевов, проективное покрытие (горизонтальная проекция наземных частей растений в процентах к общей площади участка), содержание хлорофилла в листьях, дистанционную оценку растительной массы и др. А это позволит активно влиять на продукционный процесс в течение всего оставшегося периода вегетации.

Для успешного построения агромониторнинга необходима информация о фактическом состоянии атмосферы в рассматриваемых регионах. Для этого в настоящее время широко используются так называемые агролидары. Это лазерный локатор, посредством которого изучают атмосферу. Локатор состоит из двух частей: передающей и приемной. Кроме того, предусмотрена также анализирующая аппаратура. Построение приемной и передающей частей лидара аналогичны рассмотренным нами ранее локаторам. Анализирующая аппаратура

обеспечивает выдачу, следующей информации: величины биомассы, влажности почвы, фитопатологии растительности, газового состава среды над полем и т. п. Агролидар обычно устанавливается на носителе. Он контролирует площадь круга диаметром приблизительно 25...50 м, что вполне приемлемо для статистического анализа растительности или почвы. В качестве источника излучения в таком лидаре используются лазеры, работающие в зеленой, красной и ИК-областях спектра. Их излучением зондируется поле, а отраженный от него оптический сигнал принимается фотоприемниками. Полученные в трех участках спектра сигналы позволяют представить зондируемую поверхность в виде распределения яркостей, характеризующих спектральные отражательные способности посевов или сорняков на них. Достоверный материал, который является усредненным по полям и по времени, представляет собой надежный набор статистических данных. С их помощью решается задача агромониторнинга.

Одним из основных центров применения лазеров для контроля состояния атмосферы является Институт оптики атмосферы АН СССР в Томске. Там налажены такие эксперименты, как, например, по измерению стандартных метеорологических параметров атмосферы: температуры, плотности, влажности, скорости ветра. Лазерное зондирование облаков позволяет измерить их нижнюю границу, исследовать зарождение и развитие облака, изучить его пространственную структуру. Это, в свою очередь, позволяет прогнозировать выпадение осадков, что играет немаловажную роль для развития сельскохозяйственных культур.

Еще один из путей использования лазеров в агропроме и, в частности, в пищевой промышленности состоит в применении лазерной закалки режущих инструментов, лазерной закалке подшипников и вкладышей. Так, например, работы, выполненные сотрудником Московского технологического института пищевой промышленности А. Чавчанидзе по обработке режущей поверхности лазерным излучением, показали, что они имеют вдвое больший срок службы, чем не обработанный излучением инструмент.

Работы, проводимые в Ленинградском технологическом институте под руководством профессора В. Е. Куцаковой, показали, что лазерное излучение можно

использовать для контроля качества мяса и повышения его сохранности.

Ну и наконец еще одна важная проблема может быть решена с использованием лазеров — это спектроскопия первичных процессов фотосинтеза (фотосинтез — совокупность сложных биологических процессов, происходящих в зеленых листьях растений, морских водорослей, определенных типах бактерий). Первичные процессы фотосинтеза включают в себя поглощение света молекулами хлорофилла и вспомогательными пигментами; перенос поглощенной энергии к так называемым «реакционным центрам», где происходит разделение электрических зарядов; стабилизацию разделенных зарядов, являющуюся подготовительным этапом к последующим окислительно-восстановительным реакциям. Эти процессы, совершаются крайне быстро — за Ученые не имели «инструмента» для детального исследования таких быстрых процессов. Только с появлением лазеров, у которых длительность импульса может быть пикосекундной, такой инструмент появился. Лазерный спектрофлюориметр был создан на кафедре биофизики МГУ в 1975 году. Теперь ученым удается выявить структуру «реакционных центров», прозондировать различные промежуточные состояния, уточнить картину протекания первичных процессов фотосинтеза.