创新话旧第8章

第八章创新点（7）──两点知识创新8．1 为大气激光工程服务8．1．1 知识创新与理论创新本章所谈的创新点全名叫“我国大气湍流、大气闪烁及其对激光工程影响的研究”。

这是一个知识创新－与前面几章所谈的理论创新不同，它是应我们在第七章中所谈的，1972年春天在安徽光机所时王大珩先生对我们提出的第二条要求,而创造出的一个成果，是直接为远程大气激光工程研制服务的。

前面几章谈到理论创新，是要发现现有的理论中存在的问题，并建立新的理论。

但在为工程服务时，对理论所取的态度，却与之相反。

此时，我们首先要取的态度是，承认现有理论的正确性。

在此基础上，使用现有理论来为工程服务，回答工程人员所提出的问题。

这些问题的答案是现有知识中所没有的，所以这仍然是创新，只不过它不是理论上的创新，而是在知识上的创新，这些新知识可以为工程的研制提供一些服务。

因为它是工程人员所需要知道的。

由于1972年春天在安徽光机所，我们向王大珩先生一行工程人员汇报时，所使用的大气湍流数据是根据美国的资料计算出，它固然说明大气湍流、大气闪烁可以对激光雷达和激光大气通讯有严重影响，但那毕竟来源于美国的资料，不能用以确切解决我国工程所面临的问题。

所以很自然以王大珩为首的工程人员就向我们提出了一个要求，要我们弄清楚我国大气湍流分布的特点，以及它们究竟会对我国激光工程研制产生甚麽影响。

这就产生了本章所要介绍的第七个创新点。

8．1．2 现在轮到了我们在接受王大珩先生所提出的任务同时，我们在课题组内开展了一次学习活动。

这次学习以塔塔尔斯基的《湍流大气中波的传播理论》为主。

1971年我们接受王先生的任务之前，国内还没有人开展过这方面的研究工作。

虽然我本人在大气所105组搬迁之前，曾抓紧时间自学过一些，并因此在搬迁合肥之后，很快地就打开了局面。

但我深知，为要在国内开展这方面的研究工作，光靠我一个人的力量还不行，我应该向以前带领我们边学习边开拓新领域的老先生们学习，通过一边学习这个新领域中的基本理论，一边开展相应的理论计算和实验工作。

以此来锻炼出我们自己的研究队伍。

这才能使这项新工作在我国的土壤中生根开花结果。

既然105组中没有老先生，那就轮到了我们来组织这项学习活动了。

确实，当时安徽光机所是由一批更年轻的朋友们组成，我们这些人也就成了安徽光机所的“老同志”。

波在湍流介质中的传播理论，是湍流科学与无线电物理、天文学、激光物理、声学以及大气光学、大气声学等学科交叉的产物。

早在塔塔尔斯基的理论之前，在20世纪的上半叶，就已有了这方面的研究，那是在无线电工程，光学工程，声学工程的带动下发展起来的。

这是一门应用基础学科，有很强的应用价值。

然而在塔塔尔斯基1959年工作之前，在这个领域中工作的专家对湍流研究并不熟悉，对在1941年创造出的柯尔莫果洛夫湍流理论更是无人知晓。

因此大家对决定波动在湍流介质中传播特征的湍流微结构，也就做了很粗略的假设，它们是从一般概率论，随机过程论引进来的概念。

因而不可能正确地反映出湍流微结构的规律，也就不可能得到正确的结果。

只是到了塔塔尔斯基1959年的工作，才系统地把柯尔莫果洛夫的湍流理论，结构函数的2/3定律，以及一维湍谱的－5//3定律，三维湍谱的－11/3定律引入于本问题的研究。

所得结果，自然就能正确地揭示出波动在湍流介质中传播的规律性。

例如，塔塔尔斯基所得到的大气闪烁强度<χ2>和传播距离L成11/6次方的增长关系；和折射率湍流强度C n2成正比增长关系。

在闪烁强度不太大时，已被实验证明正确。

从此就确立了塔塔尔斯基理论在这一领域的权威地位。

塔塔尔斯基的著作在1961年被翻译成英文在西方出版。

现在已成为在这一领域中国际同行经常要引用的经典文献。

前苏联学者的著作在西方也能得到公认的并不多，前面第五章讲的富克斯的《气溶胶力学》是一本，这里塔塔尔斯基的书是又一本。

塔塔尔斯基用平缓扰动法求解马克斯威尔（Maxwell）的波动方程，从而得到了波动方程的统计解。

所谓平缓扰动是指扰动量可以很大、很强，但扰动量在空间的分布变化却比较平缓，也就是说它的梯度很小。

很明显这种方法意图解决比一般小扰动方法更为普遍的强扰动问题。

但后来的实验证明当扰动强度比较大，例如闪烁强度<χ2>增长达到0.6时，<χ2>就不再继续按塔塔尔斯基的公式增长而达到了饱和。

这是塔塔尔斯基平缓扰动理论失效的地方，叫做“闪烁饱和”。

从理论上看，这是一个十分艰难复杂的问题，至少到我们工作的70年代还没有解决。

但从应用上看这倒使问题变简单了。

一旦我们碰到闪烁量<χ2>达到0.6时，就使之停下来。

放弃塔塔尔斯基的公式，使<χ2>不再随传播距离L的增加而增加，也不再随湍流强度C n2增加而增加，而是保持在饱和值0.6的水平即可。

此外塔塔尔斯基的书研究平面波球面波在穿过湍流大气时所受到的扰动影响，但激光工程使用的都是束状波，这要比平面波与球面波复杂得多。

为使塔塔尔斯基的理论能应用倒60年代以后才发明的激光工程中去，1967年美国学者舒梅尔泽（Schmeltzer）与弗里德和1969年伊势马鲁(Ishmaru)先后都研究了束状波在湍流大气中的传播过程。

他们的基本方法没有变，仍然使用了塔塔尔斯基的平缓扰动法，而舒梅尔泽与弗里德1967年的方法和伊势马鲁1969年的方法在细节上又有所不同。

就中已伊势马鲁的为最好。

我们就采用了他的结论。

然而由于束状波并非绝对平行光束，它们还是有发散角，虽然很小。

大量的理论计算又表明，当光束传播距离大于100公里以后，束状波的计算趋于和球面波一致，所以对于中长距离的激光工程而言，仍然可以使用球面波来近似。

为了巩固这次学习成果，鉴于塔塔尔斯基这本书已成为国际上在这一领域中影响深远的经典著作，我们就组织了力量一边学习，一边把这本书翻译成中文，参加翻译工作的还有宋正方、曾宗泳、顾慰渝。

打倒“四人帮”后，我们把它交给科学出版社，于1978年出版。

翻译按照1961年英文版进行，在翻译过程中还参照了它的1959年俄文原著。

塔塔尔斯基在1967年时，对原书做了修正，出了第二版。

我们当时限于条件，搞不到手。

于是在我们1978年中文版的《译者的话》中除了介绍这本书的重要意义和它的国际影响以外，还讲到该书的缺点错误之处。

特别是“闪烁饱和”一事，塔塔尔斯基对此曾在该书1959年第一版中有不恰当的解释，当时他没有认识到这是他的平缓扰动方法的局限性。

对此我们在1978年中文版的《译者的话》中给予了更正，介绍了在1970－1975年间国际上三篇新的重要工作给读者。

对于光学接收系统使用大口径接收来光滑、降低大气闪烁强度，我们也给出了新的理论分析和计算。

总之，我们尽力使我国读者能够跟上时代前进的步伐，不但能了解到这一领域中的基本理论，也能了解到这一领域当时的最新动态。

没有想到我们70年代于安徽光机所做的这一小小的工作，后来在我国的相关领域中产生了有益影响。

90年代，因一次偶然的机会，我有幸参加了北京大气物理所的一次会议，邻座一位部队来的朋友和我互通姓名后说，他早就知道我的名字，对我表示出相当大的热情。

我因自1971年离开大气所后就和大气物理学界的人基本上没有来往，对这位朋友的举止不太理解。

后来他讲起，他是因为学习过塔塔尔斯基的书而得知我的名字。

我才恍然大悟，原来那本书居然在部队中也起了良好的作用。

进入21世纪后不久，在天津理工大学工作的几位朋友，把他们在天体物理领域的一些工作送给我看。

拜读之下，才发现他们的论文也引用了我们翻译的塔塔尔斯基的著作，而且经常引用。

从70年代我们学习并翻译这本书开始，到现在已过去三十多年。

想到这本书居然能经受了三十多年时间的考验，其影响能够及于现在，这不能不使人感到欣慰。

8．2 知识创新之一这个新知识是指我国大气湍流强度在整层大气中分布的一个模型，它是王大珩先生在1971年提出的一个基本要求。

要我们弄清我国大气湍流分布的实际情况，以此作为讨论问题的出发点。

通常人们可以通过两种手段来获取这方面的知识。

一是靠直接和间接的大气湍流探测；另一个途经则是根据一定的理论设想，从常规的气象要素的平均场探空观测资料中来估算大气湍流场的分布特征。

第一种湍流大气的探测方法，当然最好，它所获取的资料可靠性更大，精度也高。

缺点是费用昂贵，要使用飞机做大量的飞行观测，而这一般不可能。

所以我们在当时也就选取第二条道路。

走这条道路，首先就要解决好对柯尔莫果洛夫和塔塔尔斯基理论取什么态度问题。

我们在上一节已经谈到，塔塔尔斯基的成功是他把柯尔莫果洛夫1941年湍流理论第一次全面系统地引入于波动传播问题中来，而取得的结果。

然而根据我们在第七章湍流不连续性的发现中已经谈到，柯尔莫果洛夫理论的湍流模型有问题，湍流理论需要重新塑造。

在这种情况下，我们还能继续跟着塔塔尔斯基去使用柯尔莫果洛夫理论吗？对此，我们认为仍然可以。

第一，到现在为止基础研究工作者还没有创造出一个能为大家所公认的新理论来。

因此应用工作者就只能在原有的柯尔莫果洛夫理论的基础上，去解决工程应用中提出的实际问题。

第二，上一章中谈到湍流的不连续性发现，也没有全盘否定柯尔莫果洛夫理论，只是否定了他的物理模型，而柯尔莫果洛夫理论所预测的结构函数2/3定律、一维湍谱－5/3定律却仍然正确。

现在，在使用塔塔尔斯基理论时，对描述湍流强度的特征量，例如温度脉动的结构函数C T2，以及折射率起伏的结构函数C n2，仍然是由柯尔莫果洛夫理论所导出的上述湍流微结构的2/3定律才得到。

既然2/3定律和－5/3定律仍然正确，那么使用由此导出的描述温度湍流场强度C T2，以及折射率起伏的湍流强度C n2就仍然有充分根据。

第三，我们在上一节中已经谈到，塔塔尔斯基理论本身关于闪烁强度随距离增长关系，关于它和折射率湍流强度C n2的增长关系，在闪烁未达到饱和之时都已有实验证明。

那么我们在此范围内应用塔塔尔斯基理论就完全可以允许。

万一闪烁达到饱和以后，我们只需放弃塔塔尔斯基的增长关系，保持闪烁强度为饱和值即可。

还余下一个更重要的问题，那就是如何根据常规气象要素平均场的探空观测数据，导出大气温度和折射率湍流场强度C T2和C n2的分布规律。

这个问题也已由塔塔尔斯基所解决。

波动的传播所需要知道的是大气折射率湍流强度C n2 ，直接观测它是不可能。

由于大气折射率起伏强度C n2主要决定于温度湍流场的强度C T2，而C T2与C n2的关系又是已知，所以一旦C T2已定，C n2就能计算出来。

与此相同，从常规气象要素场，也不能直接导出C n2的计算公式，它同样只能导出C T2的计算公式。

然后根据相同的关系可以计算出C n2数值。

而温度湍流强度C T2和常规气象要素场的关系公式，则仍然是塔塔尔斯基根据由大尺度平均温度梯度场在单位时间里所能产生出来的温度起伏不均匀量，在平衡时候，与在分子尺度上，由空气分子导温率单位时间里所平滑掉的温度不均匀量相等的原理导出。