VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ

Transkript

1 VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V BRNĚ BRNO UNIVERSITY OF TECHNOLOGY FAKULTA STROJNÍHO INŽENÝRSTVÍ LETECKÝ ÚSTAV FACULTY OF MECHANICAL ENGINEERING INSTITUTE OF AEROSPACEE ENGINEERING VLIV LASEROVÉHO ÚTOKU NA PRÁCI PILOTA EFFECT OF LASER ATTACKS ON PILOTS WORK DIPLOMOVÁ PRÁCE MASTER S THESIS AUTOR AUTHOR VEDOUCÍ PRÁCE SUPERVISOR Bc. PAVEL RIND Ing. JIŘÍ CHLEBEK,Ph.D. BRNO 2011

2

3

4 ANOTACE V posledních letech byly zaznamenány případy ozáření posádek letadel laserovým paprskem. Z pohledu bezpečnosti letu a zdraví posádky letadla se jedná o velmi závažnou událost. V případě, že je lidské oko vystaveno laserovému záření o vysoké intenzitě, může dojít k dočasnému nebo trvalému poškození zraku. Klíčová slova: Laser, Stimulovaná emise záření, Maximální přípustná dávka ozáření, Oslnění, Záblesková slepota, Paobrazy. ANNOTATION In recent years a number of cases of flight crew illumination by laser beam have been reported. Such events are considered dangerous for flight safety and for aviator s health. If a human eye is illuminated by laser beam of high intensity such event can lead to temporary or permanent eye damage. Key words: Laser, Stimulated Emission, Maximum Permissible Exposure, Glare, Flash blindness, Afterimage.

5 BIBLIOGRAFICKÁ CITACE VLASTNÍ PRÁCE RIND, P. Vliv laserového útoku na práci pilota. Brno: Vysoké učení technické v Brně, Fakulta strojního inženýrství, s. Vedoucí diplomové práce:ing. Jiří Chlebek, Ph.D..

6 PROHLÁŠENÍ Prohlašuji, že jsem diplomovou práci zpracoval samostatně, za použití uvedené literatury... Datum. Jméno a příjmení

7 Na tomto místě bych rád poděkoval vedoucímu diplomové práce Ing. Jiřímu Chlebkovi, Ph.D., za řadu cenných rad a konzultací, které mi pomohly úspěšně dokončit diplomovou práci. Rovněž bych rád poděkoval prof. RNDr. Miroslavu Liškovi, DrSc, pplk. doc. Ing.Teodorovi Balážovi, mjr. Ing. Pavlovi Melšovi a Ing. Jiřímu Vrbíkovi za poskytnutí celé řady materiálu a zkušeností z oblasti řešené problematiky.

8 OBSAH 1. ÚVOD DO PROBLEMATIKY.2 2. DEFINICE ZÁKLADNÍCH POJMŮ A VELIČÍN LASEROVÁ ZAŘÍZENÍ Princip vzniku laserového záření Konstrukce generátorů laserových paprsků KLASIFIKACE LASEROVÝCH ZAŘÍZENÍ Klasifikace laserových zařízení dle technických parametrů Klasifikace laserových zařízení dle bezpečnostních tříd Klasifikace laserových zařízení dostupných pro potencionální pachatele laserových útoků Klasifikace dalších laserových zařízení nebezpečných pro letový provoz FYZIOLOGICKÉ VLIVY LASERU NA ŽIVOU TKÁŇ Fyziologické vlivy laseru na lidský zraku Anatomie lidského oka a mechanismus vidění Další typická fyziologická poškození zraku při interakci s laserovým zářením Fyziologické vlivy laseru na pokožku PSYCHOLOGICKÉ VLIVY OSLNĚNÍ LASEROVÝM PAPRSKEM VLIV VZDÁLENOSTI CÍLE OD ZDROJE LASEROVÉHO ZÁŘENÍ A JEHO VÝKONU VZHLEDEM K VÝŠCE LETADLA POSOUZENÍ UMÍSTĚNÍ LASEROVÉHO ZDROJE VZHLEDEM K DRÁZE A POHYBU LETADLA A MOŽNOSTI PŘÍMÉHO ZASAŽENÍ KABINY LETADLA TECHNICKÉ MOŽNOSTI OCHRANY POSÁDKY LETADLA PŘED NEGATIVNÍMI VLIVY LASEROVÉHO ZÁŘENÍ Přehled možných ochranných prostředků proti laserovému záření v letectví VLIV LASEROVÉHO ZÁŘENÍ NA TECHNIKU LETADLA ZÁVĚR 51 SEZNAM PŘÍLOH. 53 SEZNAM POUŽITÉ LITERATURY Str. 1

9 1. ÚVOD DO PROBLEMATIKY V posledních letech byly zaznamenány případy oslnění posádky nízko letícího letadla laserovým paprskem, zejména ve fázích přiblížení na přistání a vzletu, tedy ve fázi maximálního psychického vypětí posádky. Uvedené případy byly zaznamenány nejenom na území České republiky, ale i na ostatních mezinárodních letištích po celém světě. Lasery jsou optické kvantové generátory nebo zesilovače světla v rozsahu vlnových délek od ultrafialové až po infračervenou oblast. Nacházejí široké uplatnění např. v průmyslu a strojírenské výrobě (dělení materiálu, měření vzdáleností, atd.), komunikačních technologiích, v medicíně (léčba zrakových problémů), ale i v oblasti vojenského průmyslu (radiolokátory, měření vzdálenosti, zaměření cílů atd.). Kromě pozitivního využití v celé škále lidské činnosti, mohou být lasery zneužity i pro jiné účely, než pro které byly primárně určeny. Hovoříme například o již zmíněných laserových útocích na civilní letadla, ale například ve Švédsku již byly zaznamenány útoky laserem na policisty při zásahu proti fotbalovým fanouškům. Oslnění laserovým paprskem může být zcela neúmyslné, kdy zdrojem záření jsou laserová zařízení určená pro předvádění, která jsou součástí zábavních parků, či hvězdáren. V případě zábavných parků slouží lasery k vytváření rozmanitých obrazů na noční obloze, v případě hvězdáren jsou lasery využívány ke zvýraznění objektů na noční obloze. V opačném případě se již jedná o úmyslné činy, kdy se jedinec či skupina snaží v kritické fázi letu letadla posádku oslnit a ztížit ovládání letadla. Obr. 1 Laserové paprsky v zábavných parcích v USA prostupující do vzdušného prostoru [19] 2

10 Převážná část těchto útoků probíhá v nočních hodinách, kdy oslnění posádky dosahuje nejvyšší úrovně. Oko je v tomto případě adaptované na tmu a jakýkoliv prudký zdroj světla okamžitě způsobí oslnění, které může být až bolestivé. Dalšími doprovodnými jevy jsou ztráta orientace a koordinace. Lidské oko může být vyřazené z činnosti v rozmezí několika minut i hodin v závislosti na délce expozice oka laserovému záření a jeho intenzitě. Obr. 2 Časové rozložení počtu laserových útoků na civilní letadla v USA [20] Poznámky: NOON = poledne, MIDNIGHT: půlnoc Patrný je prudký nárůst počtu útoků v nočních hodinách Oslnění posádky letadla lze dosáhnout běžně dostupným laserovým ukazovátkem nebo ručním laserem již o výkonu cca 10mW. Obě zařízení jsou zcela běžně dostupná na trhu v ČR. Právě snadná dostupnost uvedených zařízení, jejichž prodej není v současné době nikterak regulovaný, nízká pořizovací cena v řádu stovek až tisíců korun, stojí za prudkým nárůstem uvedených útoků na nízko letící letadla. Je potřeba si uvědomit, že dosah laserových ukazovátek či ručních laserů se dle výkonu pohybuje řádově od stovek metrů až po několik kilometrů. Dle dostupné statistiky (Příloha 1), kterou zpracoval Úřad pro civilní letectví ČR, došlo ve všech doposud registrovaných případech na území ČR k nebezpečnému oslnění posádky laserovým paprskem bez poškození zraku. Laserový útok doposud nevedl ke vzniku tragické události, nicméně lze předpokládat, že s rostoucím počtem útoků může k takové události dojít. Celkem bylo v roce 2009 na území ČR spácháno 9 a v roce 2010 již 34 laserových útoků na nízko letící letadla. 98% útoků bylo spácháno na letišti Praha Ruzyně, zbývají 2% na ostatních mezinárodních letištích v ČR. 3

11 Obr. 3 Fotografie kokpitu letadla v nočních hodinách při ozáření laserovým paprskem [20] Od roku 2009 bylo podáno několik návrhů na novelizaci Zákona o civilním letectví č. 49/1997 Sb., nicméně až vstoupila v platnost novela uvedeného zákona, která uvedené činy definuje a specifikuje výši trestu. V 37 novely Zákona o civilním letectví jsou nově definovaná ochranná pásma se zákazem laserových zařízení. Použití zdrojů laserových záření v těchto ochranných pásmech je možné dle 40 pouze se souhlasem Úřadu pro civilní letectví, který uvedené zařízení povolí pouze tehdy, nebudou-li bránit leteckému provozu nebo ohrožovat jeho bezpečnost. V 90, odstavec f) uvedeného zákona, je definována výše trestu za porušení ochranného pásma se zákazem laserových zařízením ve výši až Kč. Letecký předpis Letiště L 14, definuje v odstavci ochranná pásma, která se zřizují v okolí letiště za účelem zajištění bezpečnosti letadel proti nebezpečným účinkům laserových paprsků. Uvedená pásma jsou rozdělena dle intenzity záření, která se v daném vzdušném prostoru mohou nejvýše vyskytovat. Struktura ochranných pásem byla navržena na základě výzkumů americkým úřadem pro civilní letectví FAA (Federal Aviation Admistration), který uvedená pásma sestavil ve spolupráci s lékaři v rámci celé řady výzkumů, při kterých se simuloval vliv různých intenzit laserového záření na lidský organismus. Následně byla pásma zakotvena v legislativě evropských států. Jedná se o tyto vzdušné prostory, které se zřizují v blízkosti letišť: 4

12 letový prostor citlivý na výskyt laserových paprsků: maximální intenzita laserového záření je v tomto prostoru omezena na 100µW/cm 2. Uvedená intenzita byla definována jako hodnota, při které dochází ke vzniku paobrazů a zábleskové slepotě, [10] letový prostor s kritickým výskytem laserových paprsků: maximální intenzita laserového záření je v tomto prostoru omezena na 5µW/cm 2. Uvedená intenzita byla definována jako hodnota, při které dochází k výraznému oslnění posádky, [10] letový prostor bez laserových paprsků: maximální intenzita laserového záření je v tomto prostru omezena na 50nW/cm 2. Horizontální a vertikální členění uvedených prostorů uvádím v Příloze 2 a 3. Po vstupu výše uvedené novely Zákona o civilním letectví v platnost, se začali pachatelé laserových útoků soustřeďovat nikoliv na letadla, ale na vozidla na pozemních komunikacích. Jako reakce na přetrvávající problémy laserových útoků, vznikla rozkazem Policejního prezidenta ze dne pracovní skupina v rámci Policie ČR pod názvem LASER, jejímž úkolem je uvedené případy laserových útoků monitorovat, vyhodnocovat a připravovat podklady pro zahájení trestného řízení s pachateli.v současné době, dle vyjádření pracovníků týmu LASER, dochází každý den v průměru k jednomu laserovému útoku na vozidla. Doposud byli úspěšně dopadeni a předvedeni před soud pouze dva pachatelé. Vzhledem k tomu, že se jedná o nezletilé pachatele, bylo soudní řízení odloženo. V ostatních případech se nepodařilo nashromáždit dostatečné množství důkazů k zahájení trestního stíhání. V rámci řešení diplomové práce, byl ve spolupráci s Univerzitou obrany v Brně a Policií ČR proveden pokus a demonstrace účinků laserového paprsku na řidiče jedoucího vozidla v denních a nočních hodinách. Zároveň byla realizována simulace útoku laserovým ukazovátkem na vrtulník EC 135 Policie ČR. Uvedený pokus proběhl dne ve Vojenském výcvikovém prostoru Brdy (dále jen VVP Brdy ) a závěry z měření lze aplikovat i na problematiku laserových útoků na letadla. Praktické ukázky se dále zúčastnily složky, které s uvedenou problematikou přicházejí pravidelně do styku: Řízení letového prostoru s. p., Městská policie Hlavního města Prahy, Ministerstvo obchodu a průmyslu ČR, Ministerstvo dopravy ČR, Základna dopravního letectva armády ČR Praha Kbely. V rámci praktické ukázky se podařilo demonstrovat a objasnit: vnímání laserového paprsku v denních hodinách, vnímání laserového paprsku v nočních hodinách, obtížnost zásahu pohybujícího se vrtulníku laserovým ukazovátkem, vnímání oslnění laserovým ukazovátkem posádkou vrtulníku, 5

13 vliv na laseru na elektroniku letadla. Dále byly rámci diplomové práce řešeny následující úkoly: přiblížit podstatu vzniku laserového paprsku, provést klasifikaci laserů dle normy ČSN EN :2007, provést klasifikaci laserů relevantních pro pachatele útoku, posoudit fyziologické účinky vyvolané laserem, posoudit vliv vzdálenosti laserového zdroje a jeho výkonu vzhledem k výšce letu letadla, stanovit technické možnosti ochrany před zářením a jejich efektivita posoudit možný vliv na techniku elektroniku letadla. 6

14 2. DEFINICE ZÁKLADNÍCH POJMŮ A VELIČIN V rámci dalšího textu budou použity následující pojmy fyzikální veličiny, které se vztahují k řešené problematice. Doba trvání ozáření: délka impulzu, sledu impulzů nebo řady impulzů nebo trvalé emise laserového záření, dopadajícího na lidské tělo. Pro řadu impulzů je to doba mezi průchodem prvním bodem s hodnotou špičkového výkonu u prvního pulzu a průchodem posledním bodem s hodnotou poloviny špičkového výkonu posledního impulzu.[7] Excitace: proces, při kterém dochází ke zvýšení vnitřní energie atomu, iontu, molekuly atd.[5] Excitovaná částice: částice, která se nachází ve vzbuzeném excitovaném stavu, tj. s energií vyšší, než odpovídá základní energetické hladině. [5] Foton: elementární částice, nejmenší kvantum energie elektromagnetického záření, které může jeden mód elektromagnetického pole vyměňovat s okolním prostředím. [5] Fotochemický proces: chemická reakce, vyvolaná působením optického záření. [7] Hranice fotochemického nebezpečí (photochemical hazard limit): maximální přípustná dávka ozáření (MPE), nebo limit přístupné emise (AEL), které byly odvozeny za účelem ochrany osob proti nepříznivým fotochemickým vlivům. [7] Intenzita ozařování: podíl zářivého toku Φ dopadajícího na povrch o ploše A a této plochy.jednotka SI: watt na čtvereční metr [W.m -2 ]. E=.[7] Kontinuální režim (continuous wave): jedná se o laserové zařízení s trvalým výstupem rovným nebo delším 0,25s. [7] Laser (optický kvantový generátor): jakékoliv zařízení, které je schopno generovat nebo zesilovat elektromagnetické záření v rozsahu vlnových délek od 180nm do 1mm pomocí procesu řízeného stimulovaného vyzařování. Název je odvozen od počátečních písmen Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation. [7] Laserová zařízení určená pro předvádění (demonstation laser product): jakékoliv laserové zařízení, navržené, vyrobené a určené pro účely předvádění, zábavné účely, reklamní účely nebo umělecké kompozice. [5] Letový prostor bez laserových paprsků (Laser Free Flight Zone LFFZ): vzdušný prostor v blízkosti letiště, ve které je ozáření omezeno na takovou úroveň, že nezpůsobí vizuální rušení. [9] Letový prostor citlivý na výskyt laserových paprsků (Laser-Beam Sensitive Flight Zone LSFZ): vzdušný prostor, v němž je záření omezeno na takovou úroveň, jež nezpůsobí krátkodobé oslnění nebo efekty paobrazu.[9] 7

15 Letový prostor s kritickým výskytem laserových paprsků (Laser Beam Critical Flight Zone,LCFZ): vzdušný prostor, v blízkosti letiště navazující na LFFZ,ve kterém je záření omezeno na takovou úroveň, jež nezpůsobí oslnění. [9] Maximální přípustná dávka ozáření MPE (maximum permissible exposure): úroveň laserového záření, jemuž může být za normálních podmínek vystaven člověk, aniž by na něm zanechalo nepříznivé následky. Úroveň MPE odpovídá maximální úrovni záření, již může být vystaveno lidské oko nebo pokožka bez okamžitého nebo pozdějšího poranění a vztahují se k vlnové délce laserového záření, délce impulzu nebo době trvání ozáření, typu ozářené tkáně, a pro viditelné světlo a infračervené záření v blízké oblasti v rozsahu vlnových délek od nm také na rozměru obrazu na sítnici.úrovně maximálního přípustného ozáření jsou uvedeny v Příloze 2. [7] Minimální úhlové rozpětí (minimum angular subtense):α min Hodnota úhlového rozpětí zdánlivého zdroje, nad níž je zdroj považovaný za plošný.[7] Planckova konstanta: jedna ze základních fyzikálních veličin, součinitel úměrnosti mezi energií kvanta záření a jeho frekvencí. Číselná hodnota Planckovy konstanty je h=(6, /-0,000036) J.s. Přístupná mez záření (AEL: Accesible Emission Limit): maximálně dosažitelná úroveň záření dosažitelná v dané třídě. [7] Pulzní laser (pulsed laser): laser, který vyzařuje svoji energii v podobě impulzů nebo sledu impulzů. V rámci této práce budeme uvažovat délku impulzu kratší 0,25s. [7] Reflexe záření (odraz): jev,který nastává při dopadu optického záření, určitým prostředím, na rozhraní s jiným prostředím a který vede k vytvoření složky záření šířící se v prvním prostředí směrem od rozhraní.[7] Rozšířená jmenovitá vzdálenost nebezpečná pro zrak (ENOHD - Extended Nominal Ocular Hazard Distance): ekvivalentní bezpečná vzdálenost v rámci svazku při použití zvětšovací optiky. Při kratší vzdálenosti je laserové zařízení oku nebezpečné.[7] Stimulovaná emise: kvantový jev, při kterém dopadající částice (nejčastěji foton) stimuluje přechod excitovaného elektronu do základního stavu za současného vyzáření částice o stejných vlastnostech jako má částice stimulující. [7] Svazek (beam): laserové záření, které může být charakterizováno směrem, rozbíhavostí či průměrem.[7] Transmise záření (transmission): průchod optického záření prostředím nebo zařízením. Viditelné záření (světlo) (visible radiation (light)): optické záření, schopné způsobit vizuální vjem. V rámci této práce uvažujeme elektromagnetické záření, pro které vlnové délky jeho monochromatických složek leží mezi 400nm-700nm. [7] 8

16 Zářivý výkon (radiant power) či zářivý tok (radiant flux): výkon vyzařovaný, přenášený nebo přijímaný ve formě záření. Symbol: Φ. Jednotka SI: Watt [W] Φ=.[7] Tab. 1 Přehled použitých fyzikálních veličin [7] Veličina Jednotka Symbol Definice Délka metr milimetr mikrometr nanometr m mm µm nm Metr je dráha, kterou urazí světlo ve vakuu za čas 1/ sekundy 10-3 m 10-6 m 10-9 m Plocha čtvereční metr m 2 1m 2 Hmotnost kilogram kg Čas sekunda s Hmotnost odpovídající hmotnosti mezinárodního prototypu kilogramu Délka trvání period záření, které odpovídá přechodu mezi dvěma hladinami velmi jemné struktury stavu atomu cesia 133. Rovinný úhel radián rad Rovinný úhel mezi dvěma paprsky kruhu, které vymezují na obvodu kruhu oblouk o délce rovné poloměru kruhu miliradián mrad 10-3 mrad Energie joule J 1N.m Dávka ozáření joule na metr čtvereční J.m -2 J.m -2 Intenzita ozařování watt na čtvereční metr W.m -2 1W.m -2 Vlnová délka metr nanometr m nm 1m 10-9 m 9

17 3. LASEROVÁ ZAŘÍZENÍ 3.1. Princip vzniku laserového záření Laser je jakékoliv zařízení, které je schopno generovat nebo zesilovat elektromagnetické záření v rozsahu vlnových délek od 180 nm do 1mm pomocí procesu stimulované emise záření. Jedná se o jev, který nastává při interakci fotonu s atomem. Obecně mohou při interakci fotonu s atomem nastat tři možné případy, které znázorňuje obr. 4. Na atom prvku (obr.4a), který se nachází v základní energetické hladině E 1 (stav s minimální energií), působí elektromagnetické záření (foton světla), které předá atomu část své energie a následně atom prvku přejde do vyšší energetické hladiny E 2. Uvedený jev se nazývá absorpce záření. V případě, že se atom nachází ve vyšší energetické hladině E 2 (obr.4b), má atom prvku tendenci přejít do základní energetické hladiny E 1. Při přechodu z hladiny E 2 do hladiny E 1 dojde ke snížení energie atomu prvku o hodnotu E 2 -E 1, která je vyzářená v podobě elektromagnetického záření. Hovoříme o tzv. spontánní emisi elektromagnetického záření. Nachází-li se atom prvku v energetické hladině E 2 a zároveň na něho působí elektromagnetické vlnění o frekvenci v (obr.4c), dojde k přechodu atomu prvku z hladiny E 2 do hladiny E 1 za současného uvolnění elektromagnetického záření s energii E=h.v, kde h je Planckova konstanta a v je frekvence záření. Nově emitované záření má stejnou vlnovou délku, fázi vlny a směr, jako elektromagnetické záření, které stimulovanou emisi vyvolalo. Obr. 4 Princip a)absorpce, b) spontánní emise, c)stimulovaná emise [16] Výsledkem stimulované emise je laserový paprsek světla, který má tyto základní vlastnosti [1]: 1. laserový paprsek je vysoce monochromatický, tzn.skládá se ze světla pouze o jedné vlnové délce a tudíž i barvě, 2. laserový paprsek je vysoce koherentní, tzn. dva různé paprsky ze stejného zdroje mají ve stejném místě a časovém okamžiku stejnou fázi a stejnou vlnovou délku, 3. laserové paprsek je vysoce směrový, tzn. má velmi malou rozbíhavost, 10

18 4. laserový paprsek lze velmi dobře fokusovat (zaostřit do jednoho bodu) a následně lze v tomto bodě získat větší intenzitu záření. Uvedené vlastnosti předurčují lasery pro jejich široké využití v celé škole lidské činnosti, např. ve strojírenství (řezání materiálu), elektronika (CD, DVD), medicína (odstranění očních vad) a další. Typický profil laserového paprsku je znázorněn na obr.5, který znázorňuje rozložení intenzity záření E [W.cm -2 ] vzhledem k šířce paprsku. Hovoříme o tzv. Gaussovském tvaru laserového paprsku. Maximální intenzity dosahuje paprsek ve svém středu. Při pohledu mimo střed paprsku, intenzita záření prudce klesá. Obr. 5 Rozložení intenzity záření v laserovém paprsku [12] 3.2. Konstrukce generátorů laserových paprsků Generátor laserového paprsku se obecně skládá ze tří základních částí: 1. aktivního prostředí: látka, ve které probíhá stimulovaná emise fotonů. Aktivní prostředí rozlišujeme dle skupenství na: a) pevné (např. krystal Al 2 O 3, krystal arsenitu gallitého GaAs, krystaly rubínu), b) kapalné (roztoky organických barviv, anorganické kapaliny, kapalné plyny), c) plynné (atomární plyny, ionizované plyny, molekulární plyny, chemické směsi), 11

19 Tab.2 Přehled laserových zařízení dle aktivního prostředí Aktivní prostředí laseru Vlnová délka [nm] Střední výkon [W] Režim vyzařování Rubín 0,6943 1W Impulzní Neodymové sklo 1,058 1W Impulzní Arenid galitý 0,840 0,01W Spojitý Sulfid kademnatý 0,5-0,7 1W Impulzní Rhodamin 0, W Spojitý Helium-neon 0,6328 0,05W Spojitý Helium kadmium 0,325 0,1W Spojitý Argon 0,33 150W Spojitý Oxid uhelnatý 5,0-6,6 100kW Spojitý Dusík 0,337 40W Impulzní Fluorovodík 2,6-3,5 10kW spojitý 2. budícího zdroje:energetický zdroj, který přivádí atomy prvku do vyšších energetických hladin. Buzení může probíhat: a) opticky, b) elektrickým výbojem, c) elektronovým svazkem, d) chemicky, e) popřípadě jiné. 12

20 3. rezonančního systému:umožňuje kontinuálně udržovat stimulovanou emisi. Jedná se zpravidla o zrcadlo, které odráží část vystupujícího záření zpět do aktivního prostředí, čímž vytváří podněty k další stimulované emisi záření, 4. chlazení:vzhledem k velkým energetickým ztrátám při buzení aktivního prostředí, dochází k významnému ohřevu mnoha částí laseru během jeho provozu a je třeba tyto části účinně chladit, například vzduchem nebo cirkulující vodou. Trubice, naplněná aktivním prostředím, je umístěná mezi dvěma zrcadly, která představují rezonanční systém laserového generátoru. Jedno zrcadlo je zcela propustné, druhé zrcadlo je polopropustné. Za podmínek termodynamické rovnováhy, jsou všechny atomy v aktivním prostředí v základním energetickém stavu. Vznikne-li v aktivním prostředí elektrický výboj od budícího zdroje, dojde k interakci atomů aktivního prostředí s elektrony a atomy aktivního prostředí přecházejí do excitovaného stavu. Průchodem fotonu aktivním prostředím, dochází k iniciaci stimulované emise fotonů. Část vzniklých fotonů prochází polopropustným zrcadlem směrem ven z trubice v podobě laserového záření, naopak část fotonů se od zrcadla odráží zpět do aktivního prostředí a vyvolávají vznik dalších fotonů. Tímto způsobem je zajištěna kontinuita stimulované emise fotonů. Obr.6 Konstrukce generátoru laserového paprsku [16] 13

21 4. KLASIFIKACE LASEROVÝCH ZAŘÍZENÍ 4.1. Klasifikace laserových zařízení dle technických parametrů Laserová zařízení můžeme dělit z hlediska technických parametrů podle následujících kritérií: a) dle vlnové délky emitujícího záření Vlnová délka ovlivňuje barevné spektrum laserového paprsku. Z hlediska laserových útoků na nízko letící letadla jsou relevantní vlnové délky světla, které jsou viditelná pro lidské oko, tzn. v rozsahu vlnových délek od nm. Z hlediska barvy světla, vnímá lidské oko nejcitlivěji zelenou barvou (vlnová délka 535nm), která je právě z uvedeného důvodu nejčastěji použita pachateli laserových útoků,. Obr.7 Vlnové délky elektromagnetického záření [28] b) dle režimu práce lasery s kontinuálním provozem: laserové záření je vyzařováno spojitě, nepřetržitě, lasery s impulzním režimem: laserové zářeni je vyzařováno ve formě krátkých pulzů, c) dle způsobu buzení opticky (výbojkou, laserem, slunečním světlem, radioaktivním zářením), elektricky (svazkem nabitých částic, srážkami částic v elektrickém poli), chemicky (fotochemická disociace, výměna energii mezi molekulami a atomy), 14

22 termodynamicky (zahřátí a ochlazení plynu), jadernou energií (reaktorem, jaderným výbuchem), d) dle účinnosti Účinnost vyjadřuje, jaká část dodané energie se přemění v laserovém generátoru na koherentní elektromagnetické záření. Lasery, které čerpají energii ze světla, dodané výbojkou, mají malou účinnost vzhledem k tomu, že z dopadajícího nekoherentního světla využívají pouze část světla o určité vlnové délce. Tzv. CO 2 lasery pracují s účinnosti řádově několika desítek procent, polovodičové dosahují účinnosti až 80%.[3] e) dle zářivého toku, též výkonu optického záření Výkon optického záření má vliv na množství energie, která bude absorbovaná živou tkání při vzájemné interakci. Výkon má dále vliv na dosah laserového paprsku v atmosféře. f) dle rozbíhavosti svazku laserového záření, též divergence Parametr vyjadřuje nárůst průměru vystupujícího svazku světla se vzdáleností. U běžně dostupných laserových ukazovátek či ručních laserů se průměr vystupujících paprsku světla pohybuje od 1 do 1,5mm a divergence paprsku od 1 do 1,5mrad. V praxi to znamená, že průměr svazku laserového paprsku se na vzdálenost 1km zvětší o 1m respektive o 1,5m. Obr. 8 Schéma nárůstu průměru svazku se vzdáleností r od zdroje laserového záření [21] 15

23 4.2. Klasifikace laserových zařízení dle bezpečnostních tříd Klasifikace laserových zařízení do bezpečnostních tříd specifikuje česká technická norma ČSN EN , Bezpečnost laserových zařízení Část 1: Klasifikace zařízení a požadavky, která definuje sedm bezpečnostních tříd. třída 1, třída 1M, třída 2, třída 2M, třída 3R třída 3B, třída 4. Parametrem, pro zařazení konkrétního laserového zařízení do bezpečnostní třídy, je úroveň přístupné emise, která je přesně specifikovaná pro každou třídu v ČSN EN Za správnou klasifikaci zařízení je dle uvedené normy odpovědný výrobce zařízení. [7] Třída 1: jedná se o laserová zařízení, která jsou bezpečná během používání včetně dlouhodobého přímého sledování svazku dokonce i v případě sledování pomocí optických pomůcek, tzn. pomocí lupy či dalekohledu. Pohled do svazku laserového záření může způsobovat oslňující optické efekty, zejména při nízké úrovni okolního osvětlení. [8] Třída 1M: laserová zařízení, která vysílají záření v rozsahu vlnových délek od 302,5nm až do 4 000nm a jsou bezpečná během používání, včetně dlouhodobého přímého sledování svazku nechráněnýma očima. Poškození zraku může být způsobeno následkem ozáření v případě sledování svazku pomocí optických pomůcek např. oční lupy nebo dalekohledu. Pohled do svazku laserového záření může způsobovat oslňující optické efekty, zejména při nízké úrovni okolního osvětlení. [8] Třída 2: lasery vyzařující viditelné záření v rozsahu vlnových délek od 400nm do 700nm, u kterých je ochrana zraku za normálních okolností zajištěna fyziologickými reakcemi zahrnujícími i mrkací reflex. Tato ochrana může být považována za dostatečnou během provozních podmínek, i za použití optických přístrojů pro pozorování uvnitř svazku. Oslnění, záblesková slepota a přetrvávající zrakové vjemy mohou být způsobeny laserem třídy 2 při nízké hladině okolního osvětlení. [8] Třída 2M: lasery vyzařující viditelné záření v rozsahu vlnových délek od 400nm do 700nm, u kterých je ochrana zraku za normálních okolností zajištěna 16

24 fyziologickými reakcemi zahrnujícími i mrkací reflex. Sledování výstupu laserů může být daleko nebezpečnější při sledování paprsku pomocí optických přístrojů. [8] Třída 3R: (do roku 2001 označována 3A), lasery vyzařující v rozsahu vlnových délek od 302,5nm do 106nm, u kterých je přímé sledování uvnitř svazku potenciálně nebezpečné, ale riziko je menší než u laserů třídy 3B. Rovněž je pro ně požadováno menší množství výrobních požadavků a kontrolních hodnot pro uživatele než u laserů třídy 3B. Přístupná mez záření (AEL) je pětinásobkem přístupné meze záření AEL pro třídu 2 v rozsahu vlnových délek od 400nm do 700nm a pětinásobkem přípustné meze záření AEL pro třídu 1 pro ostatní vlnové délky. [8] Třída 3B: lasery, u kterých je za normálních okolností nebezpečné, jestliže dojde k přímému ozáření svazkem (ve jmenovité vzdálenosti s nebezpečím poškození zraku NOHD). Sledování difúzních odrazů je za běžných podmínek bezpečné. [8] Třída 4: jedná se o zařízení, která jsou schopna běžně produkovat nebezpečné difuzní odrazy. Mohou způsobit poškození pokožky a vznik požárů. Manipulace s nimi vyžaduje mimořádnou pozornost. [8] 4.3. Klasifikace laserových zařízení dostupných pro potencionální pachatele laserových útoků Základními parametry pro volbu vhodného laserového přístroje pro útok na letící cíle jsou: generovaný laserový paprsek má vlnovou délku viditelnou pro lidské oko, tzn. v rozsahu vlnových délek od 400nm-760nm.Tento předpoklad je důležitý vzhledem k zaměření potencionálního cíle laserovým paprskem, nízká hmotnost a malé rozměry těla laseru, dostatečný výkon a dosah světelného paprsku, cenová dostupnost laseru, snadná dostupnost na trhu, možnost montáže na stativ popřípadě pažbu, vhodná barva laserového paprsku. Z hlediska velké citlivosti oka na zelenou barvu, převažují mezi pachateli lasery zelené barvy. Potencionální pachatel má pro realizaci laserového útoku k dispozici celou řadu zdrojů laserového záření, které splňují výše uvedené základní parametry. Jedná se například o: 17

25 laserová ukazovátka, ruční lasery, laserové zaměřovače (zbraňové, astronomické), ruční dálkoměry. Laserová ukazovátka a ruční lasery představují běžně dostupné zdroje laserového paprsku, které mají dostatečný výkon a dosah pro realizaci případného útoku. Výkon obou zdrojů laserového paprsku se pohybuje od 5mW až řádově do stovek mw a umožňují vytvořit paprsek světla, který je viditelný od řádu několika desítek metrů až po několik kilometrů. Laserová ukazovátka jsou svojí konstrukcí uzpůsobená především k přerušovanému krátkodobému provozu, naopak ruční lasery jsou uzpůsobeny ke kontinuálnímu provozu i v řádu několika hodin. Ruční lasery jsou zpravidla doplněny bezpečnostními prvky v podobě zámků či jiných bezpečnostních pojistek, které mají zabránit náhodnému spuštění laseru a případnému poškození zdraví osob v blízkém okolí. Aktivním prostředím je polovodičová dioda. Tabulky 3 a 4 uvádí základní přehled nejběžněji nabízených typů laserových ukazovátek a ručních laserů na trhu v ČR. Svými parametry a výkonem jsou vhodná pro realizaci útoku na nízko letící letadla. Z hlediska barvy generovaného laserového paprsku, se kromě zelené barvy nabízí i červená, fialová či žlutá barva. Tab. 3 Základní přehled dostupných laserových ukazovátek na trhu. [25] Dosah Výrobce Výkon [W] Bezpečnostní třída Barva paprsku [m] Napájení Laserpointer 5mW 3A Zelená Cca 200 1,5V 3x AAA Laserpointer 50mW 3A Zelená Cca ,5V 3xAAA Laserpointer 200mW 3B Zelená Více jak 1,2V xAAA Cena Kč Cca 300,- Cca 500,- cca 1800,- Obr. 9 Příklad laserového ukazovátka o výkonu 5mW. Rozměry těla 142 x13 mm hmotnost 56g [25] 18

26 Tab. 4 Základní přehled dostupných ručních laserů na trhu [25] Dosah Výrobce Výkon [W] Bezpečnostní třída Barva paprsku [m] Napájení Cena Kč Laserpointer 100MW 3R Zelená Řádově kilometry 3V 890,- Laserponter 200mW 3R Zelená Cca 5km 3V 4700,- Laserpointer 700mW 3B Zelená Více jak 5km 3V 8 500,- Obr. 10 Příklad ručního laseru s možností fokusace vystupujícího paprsku. Rozměry těla 260 x 22 m, hmotnost 150g [25] Další potencionální skupinou zařízení pro realizaci laserového útoku na nízko letící cíle představují laserové zaměřovače. V běžné praxi nacházejí uplatnění v oblasti astronomie a dále v oblasti zbraňových systémů. Svými rozměry, výkonem, cenovou dostupností a snadnou montáží na stativ či pažbu, jsou vhodnými zbraněmi pro potencionální pachatele laserových útoků. V tabulce 5 je uveden základní přehled laserových zaměřovačů, dostupných na trhu v ČR. Tab. 5 Základní přehled dostupných laserových zaměřovačů [26] Dosah Výrobce/ Typ Vlnová délka [nm] Třída laseru Výkon laseru [mw] paprsku den/noc [m] Rozměry těla [mm] Sightmark Triple Duty AT5R Váha [g] Cena Kč 635 3B 5 94/ x 31, Sightmark AAT5G 535 3B 5 46/ ,4 x 30,5 x 40, LXGD 535 3B /5000 Nezjištěno Nezjištěno

27 Obr. 11 Laserový zaměřovač Sightmark AAT5G [26] Mezi vhodné zdroje laserového paprsku pro realizaci útoků na letecký provoz, můžeme zařadit laserové měřiče vzdálenosti, které běžně nacházejí uplatnění ve stavebnictví. Běžně dostupné laserové měřiče vzdálenosti, v cenové relaci do Kč, dosahují výkonu cca 1mW a jsou zařazeny do bezpečnostní třídy 2. U takovýchto laserových zařízení lze předpokládat spíše nebezpečí z hlediska oslnění posádky letadla, nežli z hlediska nebezpečí poškození zrakového orgánu. Jedním z parametrů, který hodnotí kvalitu měřiče vzdálenosti, je měřená vzdálenost, která představuje dálku, na kterou je uvedené zařízení schopno s určitou přesností měřit vzdálenost. Nicméně, měřená vzdálenost je vždy kratší, než vzdálenost, na kterou je laserový paprsek viditelný a tudíž potencionálně nebezpečný. Tab. 6 Základní přehled dostupných měřičů vzdálenosti [22] Výrobce/ Typ Vlnová délka [mm] Třída laseru Výkon laseru [mw] Měřená vzdálenost [m] Rozměry těla [mm] Váha [g] Cena Kč Bosch GLM x 64 x STABILA LE x 30,5 x LXGD 535 3B /5000 Nezjištěno Nezjištěno

28 4.4 Klasifikace dalších laserových zařízení nebezpečných pro letový provoz Z hlediska bezpečnosti letového provozu představují kromě běžně dostupných přenosných zdrojů laserového záření potencionální riziko i stacionární zdroje laserového záření. Jedná se zejména o: zdroje laserového záření v zábavních parcích, které slouží k vytváření barevných obrazů na noční obloze, astronomické lasery, které slouží ke zvýraznění objektů na noční obloze, jiné stacionární lasery, které slouží k výzkumným účelům v oblastech geografie a telekomunikace. Uvedená zařízení jsou zdroji intenzivního laserového paprsku ve viditelné části barevného spektra světla, tzn. v rozsahu vlnových délek od nm. Svými výkony jsou schopny způsobit nebezpečné oslnění, dezorientaci, zábleskovou slepotu, v krajním případě i poškození zrakových orgánů posádky letadla. Velké nebezpečí představují zejména v okamžiku, kdy posádka nepředpokládá zdroj silného záření v dané lokalitě. V případě kritické fáze letu, tzn. vzletu a přistání, může mít takové oslnění až fatální důsledky. V tabulce 7 uvádím přehled vybraných laserových zařízení pro venkovní použití, která jsou dostupných na trhu v ČR. Tab. 7 Základní přehled stacionárních laserů pro venkovní použití [25] Výrobce / Typ Vlnová délka [nm] Třída laseru Výkon laseru [W] Dosah paprsku [km] Divergence paprsku [mrad] Rozměry těla laseru [mm] Váha [kg] Laser Innovation Emerald Laser Innovation 532 3B 40 několik km 632 3B 12 několik km x260x x150x Genesis red Melles Griot 3W 532 3B 3 až 8 km x130x

29 5. FYZIOLOGICKÉ VLIVY LASERU NA ŽIVOU TKÁŇ Laserové útoky představují v prvé řadě nebezpečí pro oko a kůži. Mechanismus, kterým laserové záření způsobuje poškození živé tkáně, je podobný pro všechny biologické systémy a může zahrnovat současné působení tepla, akustických změn, fotochemických procesů, nelineárních účinků a biologických změn. Tepelné účinky Energie laserového záření způsobuje předání části své energie lidské tkáni a tímto dojde ke zvýšení pohybové energie molekul, zrychlení jejich pohybu a zvýšení teploty. Takto zasažené buňky živé tkáně vykazují známky spálení. [7] Obr. 12 Tepelné účinky laseru na tkáň [7] Popis obrázku: a) energie laserového záření je absorbována tkání, b) energie, vytváří teplo, které je rozváděno do okolní tkáně c) u laserů s dlouhými impulzy nebo kontinuálním režimem, způsobuje setrvačnost tepelné fronty, které způsobují stále větší poranění, d) u laserů, s krátkými impulzy, způsobuje prudký nárůst energie až praskání buněk. 22

30 Fotochemické účinky Jsou vyvolané absorpcí laserového záření a následnou inicializací chemických reakci. Uvedené reakce jsou schopny vyvolat poškození i při nízkých úrovní ozáření. Fotochemické účinky jsou většinou způsobeny zářením v ultrafialové oblasti spektra. V případě působení ultrafialového záření na kůži, dojde k jejímu zčervenání a následnému zhnědnutí. Při vysokých dávkách ozáření může dojít až k zanícení kůže. Působením ultrafialového záření na rohovku oka dochází k jejímu porušení. [7] Akustické účinky Část energie laserového záření, která dopadá na tkáň, se může přeměnit na mechanickou energii. Následně vzniká tzv. rázová akustická vlna, která, pokud je dostatečně intenzivní, může roztrhnout tkáň. [7] Nelineární účinky Jsou zaznamenány u laserů s vysokými výkony, které pracují jak v kontinuálním tak i pulzním režimu. Vysoká energie záření, která dopadá na živou tkáň ve velmi krátkém čase, způsobí rychlý nárůst teploty tkáně a kapalné složky buněk jsou přeměněny na plyn. Následně tak dochází k praskání buněk. [7] Biologické změny V případě dlouhodobé expozice tkáně ultrafialovému záření dochází k urychlenému stárnutí pokožky a následnému vzniku určitého druhu rakovinného bujení. Dlouhodobé ozáření oční rohovky zářením v blízké infračervené oblasti způsobuje vznik zákalu oka (katarakta). [7] Mezi další faktory, které mají vliv na poškození tkáně, patří: a) vlnová délka laserového záření Rozlišujeme tři základní pásma spojená s biologickými efekty způsobenými dopadem záření na tkáně: ultrafialové záření, viditelné záření, infračervené záření. Pro přesné určení účinků laserových záření na živou tkáň jsou vlnové délky dále rozděleny na: blízkou ultrafialovou oblast UV-A (315nm-400nm), UV-B ( nm), UV-C (100nm-280nm), viditelnou oblast (400nm-700nm), blízkou infračervenou oblast IR-A (700nm-1400nm), střední infračervenou oblast IR-B (1,4µm-3µm) dalekou infračervenou oblast IR-C (3µm-1000µm). 23

31 b) reflexe a transmise tkáně Vlnová délka dopadajícího záření ovlivňuje, kterou tkání záření projde a v které bude pohlceno [7]. c) intenzita ozáření S rostoucí hustotou výkonu dopadajícího záření, roste riziko poškození tkáně. Například kontinuální lasery již o výkonu 0,5W mohou způsobit vážná popálení pokožky. [7] d) velikost ozářené plochy Tkáň, obklopující ozářené místo je schopna odvádět absorbované teplo z místa ozáření, pokud je tato oblast dostatečně malá.[7] Například, riziko poškození sítnice je následující: plošná hustota: 1-10W.cm -2 pro 1000µm,[7] plošná hustota: 1kW.cm -2 pro 20µm. [7] e) vliv doby působení záření na tkáň Doba působení záření na tkáň bude mít vliv na množství energie, které je tkáni předáno. Z hlediska doby působení laserového záření na lidský organismus převládají následující mechanismy [7] : nanosekundová a kratší doba ozáření: převažují nelineární změny, ozáření v délce od 1ms do několika sekund: převažují tepelné účinky ozáření v délce nad 10s: převládají fotochemické účinky. 24

32 5.1. Fyziologické vlivy laseru na lidský zrak Pomocí zraku získává člověk až 80% [10] všech informací z okolního prostředí, tzn. tvary předmětů, rozměry, vzdálenosti, barvy atd Anatomie lidského oka a mechanismus vidění Lidské oko se skládáá z následujících základních částí: [7] Obr.13 Stavba lidského oka [22] Oční koule: má přibližně kulovitý tvar a je rozdělena do tří vrstev: povrchová vrstva (bělima a cévnatka), střední vrstva (cévnatka, řasnaté tělísko, duhovka) a vnitřní část (sítnice). Bělima: tuhá, bílá vazivová blána o síle 0,3 až 2 mm. Zaujímá cca 4/5 povrchu oční koule. Rohovka:orgán v přední části oka. Je silně inervován, ale není prostoupen cévami. Živnatka:obsahuje velké množství cév a pigmentových buněk. V zadní části přechází v cévnatku, v přední části přechází v řasnaté tělísko. Duhovka:má tvar kruhového terčíku z hladkého svalstva. Kruhový otvor uprostřed duhovky se nazývá zornice (pupila). Duhovka obsahuje pigmentové buňky, které určují její barvu. 25

33 Čočka: usměrňuje světelné paprsky tak, aby se sbíhaly na sítnici, čímž pomáhá k přesnému vidění. Sítnice: jemná, několika vrstevnatá blána silná cca 0,2-0,4mm, která se skládá z několika vrstev nervových buněk, které obklopují fotosenzitivní buňky: tyčinky a čípky. Tyčinky: jedná se cca o 130 milionů buněk, které rozlišují pouze stupně šedi. Jsou citlivé na světlo a umožňují vidění za šera. Čípky: jedná se o cca 7 milionů buněk, umožňují barevné vidění. Největší počet čípků se nachází ve žluté skvrně - místo nejostřejšího vidění. Sklivec: rosolovitá průhledná hmota, která vyplňuje většinu vnitřního prostoru oční koule. Světlo vstupuje do lidského oka přes rohovku, prochází komorovou vodou a dopadá na čočku skrz zornici. Zornice se působením hybných svalů roztahuje nebo zužuje a tím reguluje množství procházejícího světla. Rohovka a čočka pomáhají světelný paprsek spojit a zaostřit na sítnici. Dopadající světlo následně způsobuje chemické přeměny ve fotosenzitivních buňkách, které vysílají nervové impulsy zrakovým nervem do mozku. [7] Faktory, ovlivňujících poškození zrakového orgánu a) maximální přípustná dávka ozáření (MPE) Představuje maximální úroveň laserového záření, kterému může být vystavena živá tkáň (oko, kůže atd.) tak, aby nedošlo k okamžitému nebo i následnému poškození organismu. Její velikost závisí na délce expozice t, vlnové délce λ záření a typu tkáně. Uvedená hodnota je tabelována a je dostupná v literatuře[7]. V Příloze 4 uvádím hodnoty maximální přípustné dávky ozáření pro rohovku. Na příklad, pro vlnové délky záření ve viditelné části spektra je hodnota MPE určená vztahem: 18,., [7] kde t představuje délku expozice tkáně laserovým zářením. V případě leteckých útoků na civilní letadla předpokládáme, že pachatel použije laser ve viditelné části spektra a můžeme předpokládat dobu expozice 0,25s, tzn. dobu, za kterou dojde k uzavření očního víčka jako projev mrkacího reflexu. Po dosazení do vztahu získáme MPE 6,36J.m -2. Hodnota MPE je výchozí hodnotou pro stanovení jmenovité vzdálenosti s nebezpečím poškození zraku NOHD, tedy vzdálenosti pozorovatele od laseru, kdy dojde k poškození k zraku. b) jmenovitá vzdálenost s nebezpečím poškození zraku ( NOHD ) Představuje minimální vzdálenost oka pozorovatele od zdroje laserového záření, při které již dojde k poškození zraku. 26

34 Obr. 14. Určení jmenovité vzdálenosti nebezpečné pro zrak (NOHD) [12] K výpočtu NOHD byly odvozeny následující vztahy [18]: NOHD E 1 4 P = α min φ π Em nebo (1), NOHD H 1 4 Q = α min φ π H m (2) Tyto rovnice se použijí pro lasery se spojitým zářením nebo s jednotlivými impulsy. Modelový příklad: Účelem modelového příkladu je přiblížit rizika spojená s pohledem do laserového paprsku. Předpokládáme, že pro laserové útoky na letadla bude použito laserové ukazovátko vyzařujících na vlnové délce λ = 523nm (zelený laser) nebo na λ = 633nm (červený laser). Lasery tohoto typu pracují v kontinuálním režimu (CW) s vyzářeným výkonem cca 50mW, dobu expozice oka laserovému záření 0,25s, což odpovídá reakční době mrkacího reflexu. Postup výpočtu: Z Přílohy 3 určíme maximální hodnotu expozice laserového záření na oko. Tedy, maximální hodnota je určená vztahem: 27

35 MPE = 18 t 0,75 2 [ J m ] kde t uvažujeme 0,25s. MPE=6,36Jm -2 Předpokládáme bodový zdroj, tedy α min =0. Po dosazení do vztahu (1) získáme: Závěr výpočtu: 1 4 0,005 NOHD E = 0 = 100m 0,001 π.6,36 Přímý pohled do laseru o výkonu 50mW představuje riziko poškození zrakového orgánu až do vzdálenosti 100m od zdroje záření. c) vliv vlnové délky laserového záření na zrakový orgán Různé vlnové délky elektromagnetického záření ovlivňují, v které části očního prostředí bude záření absorbováno a naopak, kterými částmi pouze prostoupí [20]. Tab.8 Závislost místa absorpce v očním prostředí na vlnové délce elektromagnetického záření [7] Vlnová délka Označení Místo absorpce v očním prostředí 100nm-280nm Vzdálení ultrafialové UV-C Rohovka a komorová voda 280nm-315nm Střední ultrafialové UV-B Rohovka a komorová voda 315nm-400nm Blízké ultrafialové UV-A Čočka 400nm-700nm Viditelné Sítnice 700nm-1400nm Blízké infračervené IR-A Sítnice 1400nm-3µm Střední infračervené IR-B Rohovka 3µm-1000µm Vzdálené infračervené IR-C Rohovka a) UV(A) záření b) Viditelné záření nm a IR(A) ohrožena čočka záření - ohrožena sítnice b) Ultrafialové záření (UV-B,UV-C) a infračervené záření (IR-B,IR-C) ohrožena rohovka Obr.15 Znázornění místa absorpce elektromagnetického záření různých vlnových délek v očním prostředí 28

36 Přehled typických poškození lidského oka spojených s nadměrným působením elektromagnetického záření různých vlnových délek je uvedeno v tabulce 9. Tab. 9 Přehled poškození lidského oka při nadměrném vystavení elektromagnetickému záření různých vlnových délek [7] Vlnová délka Vliv na lidské oko 100nm-280nm UV-C Zánět rohovky 280nm-315nm UV-B Zánět rohovky 315nm-400nm UV-A Šedý zákal 400nm-700nm Fotochemické a tepelné poškození rohovky 700nm-1400nm IR-A Šedý zákal, spálení sítnice 1 400nm - 3 m IR-B Zkalení rohovky, šedý zákal, spálení rohovky 3μm-1000 μm IR-C Spálení rohovky Další typická fyziologická poškození zraku při interakci s laserovým zářením Rohovka: dopad laserového záření v oblasti ultrafialové části spektra může vytvořit podmínky pro vznik epiteliálního poškození. Jedná se o bolestivé poškození rohovky, které způsobuje zrakové omezení. V některých případech se může jednat o krátkodobý stav, kde během několika dnů dojde k opětovnému zhojení rohovky, po jehož dobu je citelně zhoršená kvalita vidění. Vzdálené infračervené záření způsobuje především popálení rohovky a její zjizvení. Je-li energie dopadajícího záření dostatečně vysoká, vrstvy rohovky mohou být propáleny, což může vést k úplné ztrátě zraku. [7] Sítnice a cévnatka: sítnice je propustná pro většinu vlnových délek viditelného spektra záření. V případě absorpce dostatečné energie laserového záření sítnicí, dochází ke vzniku tepelné sraženiny v okolí fotoreceptorů. Okolí celé sítnice bude rovněž ovlivněno otokem v důsledku tepelného působení. Větší množství energie dopadajícího záření může vést až k vnitřnímu krvácení v cévnatce a sítnici. Ztráta vidění může být v tomto případě i trvalého charakteru. Krev se může rovněž přemístit do sklivce, kde může bránit průchodu světla skrz zrakové ústrojí. [7] 29

37 5.2. Fyziologické vlivy laseru na pokožku Pokožka je schopna snášet větší množství energie laserového záření než lidské oko v rozsahu vlnových délek viditelné části spektra a infračervené části spektra. Počátečními projevy nadměrného ozáření laserem jsou zčervenání pokožky, které postupně přechází v tvorbu velkých puchýřů. Ve tkáních s velkou povrchovou absorpcí je po ozáření velmi krátkými impulzy laserů s vysokými špičkovými výkony převládající popelavý povlak.[7] Působením extrémně vysokých dávek ozáření na pokožku může vzniknout pigmentace, zanícení, zjizvení pokožky a poškození podkožních orgánů. Opakovaná expozice pokožky laserovému záření, vede k její zvýšené citlivosti a po každém dalším ozáření postupně klesá její odolnost proti tvorbě příznaků z nadměrného ozáření. V oblasti vlnových délek od 1 500nm do 2600nm je nebezpečí poškození pokožky velmi podobné nebezpečí pro zrak. Pro délky trvání ozáření do 10s jsou hodnoty MPE pro tento vlnový rozsah zvýšené. [7] Tab.10 Přehled patologických jevů spojených s nadměrným vystavením tkáně působení elektromagnetického záření různých vlnových délek [7] Spektrální oblast Vliv na pokožku elektromagnetického záření 100nm-280nm UV-C Opálení 280nm-315nm 315nm-400nm UV-B UV-A Zrychlené stárnutí pokožky Zvýšená pigmentace Ztmavnutí pigmentu 400nm-700nm Fotosenzitivní reakce Spálení pokožky 700nm-1400nm IR-A 1 400nm - 3 m IR-B 3μm-1000 μm IR-C Spálení pokožky 30

38 6. PSYCHOLOGICKÉ VLIVY OSLNĚNÍ LASEROVÝM PAPRSKEM Kromě případného fyziologického poškození zraku při interakci lidského oka s laserovým zářením, je třeba brát v úvahu i psychovizuální jevy, které nastanou jako důsledek působení intenzivního světelného paprsku na lidské oko, kdy dochází k intenzivnímu podráždění citlivých buněk v oční sítnici. Pilot prostřednictvím zraku vnímá převážnou část informací z okolního prostředí, které jsou nezbytné pro vykonání vlastního letu. Zrakem pilot vnímá vzdálenosti od překážek, okolní provoz, palubní přístroje, navigační mapy atd. Let v noci navíc představuje pro pilot další zejména psychickou zátěž. Oči pilota jsou v noci přizpůsobeny na noční vidění. V případě ozáření pilota intenzivním zdrojem světla, jako je například laserový paprsek, dojde k dočasnému zhoršení zraku, z důvodu vzniku různých psycho-vizuálních efektů, které mohou trvat řádově několik sekund i minut. Pilot ztrácí prostorovou orientaci, je zmatený, není schopen vnímat polohu vzletové a přistávací dráhy, práh dráhy, dráhové osvětlení atd. Zejména v kritické fázi letu, představují tyto jevy potencionální nebezpečí pro bezpečné dokončení letu. Mezi typické psychovizuální jevy, které vznikají při oslnění silným zdrojem světla, patří: a) oslnění (Glare) Vzniká tedy vždy, když sítnice nebo její část je vystavena značně většímu jasu, než na který je adaptována. Následně dochází k oslnění, které známe v případě oslnění silným slunečním svitem. Na rostoucí jas určitého zorného pole, lidské oko reaguje postupným přivíráním zornice a přemisťováním černého pigmentu, který má chránit čípky sítnice. Při vysokých hodnotách jasu již není černý pigment schopen účinně chránit čípky sítnice, načež je pozorovaný předmět vnímán oslnivě, nastupuje pocit bolesti a pozorovatel není schopen udržet pozornost na pozorovaném předmětu. Velikost jasu, při kterém dochází k oslnění, je také závislá na adaptaci oka pro konkrétní světelné podmínky[12]. Je-li lidské oko v daný okamžik adaptované na světelné podmínky s nízkým jasem, může být náhlý pohled do zdroje světla s vyšším jasem příčinou oslnění. V tabulce 12 je znázorněna závislost jasu L [cd.m -2 ], ke kterému je oko v daný okamžik adaptované na jasu oslnění L g. [cd.m -2 ]. Hodnoty jasu oslnění mohou být určeny dle vztahu [12]: L g =371,3. (3) Experimentálně bylo zjištěno, že oslnění nastává při jasech přibližně L g =1,65cd.m -2.[12]. 31

39 logl g [cd*m -2 ] logl [cd*m -2 ] Obr.16 Závislost jasu pozorovaného předmětu na jasu oslnění [12] Konkrétní příklady jasů, při kterých dochází k oslnění oka při adaptaci na různé světelné podmínky, znázorňuje obr. 17. Obr.17 Konkrétní příklady závislosti jasu pozorovaného předmětu na jasu oslnění [12] Bude-li lidské oko adaptované na podmínky denního světla, nebude oslněno hvězdnou oblohou. Naopak, při adaptaci ke hvězdné obloze, bude oslněno měsícem v úplňku. 32

40 Rozlišujeme následující stupně oslnění [12]: rušivé oslnění narušuje zrakovou pohodu, rozptyluje pozornost, aniž si mnohdy pozorovatel uvědomí, že příčinou je oslnění, omezující oslnění ztěžuje rozeznávat detaily, způsobuje pocit nejistoty, únavy a pokles pracovního výkonu, oslepující oslnění znemožňuje vidět někdy i na delší dobu, než působí příčina oslnění. Činitelem, který je důležitý ze stanoviska hygieny zraku, je trvání oslnění. Zrak se zotaví snadno po krátkodobém oslnění, pokud nebylo příliš intenzívní. Při dlouhodobém oslnění, se zrak unavuje, únava přechází i na nervovou soustavu a mohou vzniknout i fyziologické poruchy (např. překrvení spojivek). b) oslepení Oslepení ze záblesku (Flashblindness) se projevuje jako neschopnost lidského oka vizuálně zachytit, či rozpoznat cíl následně po ozáření jasným světlem. Oslepení ze záblesku je doprovázeno tak zvanými paobrazy (Afterimage). Jedná se o optický klam, způsobený stopami zrakového vjemu, který po několik sekund zůstává na sítnici i když se na daný objekt nedíváme. Pokud delší dobu upřeně hledíme na nějakou barevnou plochu a následně přesuneme zrak na jinou, nejlépe šedou nebo bílou, uvidíme na několik sekund původní obraz v negativních barvách. Stejně tak po pohlédnutí do silného zdroje světla vidíme před očima temnou skvrnu.paobrazy lze vidět také za zavřenými víčky. Paobraz je důsledkem toho, že se oko při sledování nějakého objektu adaptuje na světelnost prostředí. Při náhlé změně světelnosti zůstává oko ještě nějakou dobu přizpůsobeno původnímu obrazu. Ve výjimečných případech lze pozorovat paobraz v pozitivních, tedy původních barvách. Se vznikem psychovizuálních jevů souvisí i denní doba a vlnová délka elektromagnetického záření, které dopadá na lidské oko. Na obr. 18 je znázorněna spektrální citlivost lidského oka pro fotopické vidění (denní vidění) a skotopické vidění (noční vidění). Dále jsou do grafu vyneseny dvě svislé úsečky: zelená úsečka značí vlnové délky pro zelené světlo (vlnová délka 532nm) a červená svislá úsečka značí červené světlo (vlnová délka 630nm). 33

41 Obr.18 Průběh křivky spektrální citlivosti oka (modře) pro fotopické vidění a křivky pro skotopické vidění (zelená). Zelenou úsečkou je vyznačená vlnová délka pro zelený laser 532 a pro červený laser 630 [12] Při fotopickém vidění je lidské oko na zelené světlo přibližně 2,5x citlivější než na červené, při skotopickém vidění již lidské oko vnímá zelené světlo přibližně 250x citlivěji než červené světlo. Z uvedeného důvodu se mezi pachateli laserových útoků rozšířil zelený laser, který v nočních podmínkách vytváří v atmosféře výraznou stopu až několika kilometrů dlouhou a zasažený objekt rozzáří velmi intenzivním světlem. U červených laserů je stopa pro lidské oko méně výrazná. Americká norma ANSI Z 136, která se postupně stala předlohou i pro evropské normy, definuje na základě rozsáhlých výzkumů hraniční hodnoty intenzity ozáření, při kterých dochází ke vzniku negativních psychovizuálních efektů, spojených s ozářením laserovým paprskem. Obr.19 Vliv intenzity ozáření laserovým paprskem na vznik psychovizuálních efektů [12] 34

42 7. VLIV VZDÁLENOSTI CÍLE OD ZDROJE LASEROVÉHO ZÁŘENÍ A JEHO VÝKONU VZHLEDEM K VÝŠCE LETALDA Vliv laserového paprsku na dopadající cíl budeme posuzovat z hlediska: vzdálenosti cíle od zdroje záření, výkonu laserového paprsku, atmosférických podmínek. Vliv vzdálenosti cíle od zdroje záření a výkonu zdroje Do následujících grafů, byly vyneseny hodnoty závislosti vzdálenosti lidského oka od zdroje záření na výkonu laseru při konstantní hodnotě dávky ozáření. V úvahu byl brán případ, kdy pachatel použije k útoku laserové ukazovátko zelené barvy (532nm) o výkonech od 5 do 500mW. Ve výpočtech budeme modelovat následující 3 případy: a) vzdálenost, při které dojde k poškození zraku, v závislosti na výkonu laseru. Jedná se o vzdálenost NOHD, kde uvažujeme maximální intenzitu dopadajícího záření E=2, W.m -2, b) vzdálenost, při které vzniká oslepení a následné paobrazy, v závislosti na výkonu laseru. Uvažujeme maximální intenzitu dopadajícího záření E=1 W.m -2, c) vzdálenost, při které vzniká pouze rušivé oslnění, v závislosti na výkonu laseru. Uvažujeme maximální intenzitu dopadajícího záření E= W.m -2. Uvedené hodnoty intenzity dopadajícího záření vycházejí z americké normy ANSI Z 136. Dále při výpočtech uvažujeme: Divergence laserového paprsku 1 mrad, Expoziční doba 0,25s Pozn.: Expoziční doba t=0,25 s, představuje reakční dobu oka, při které dojde k uzavření víčka jako ochranný reflex před intenzivním zářením. Jedná se o tzv. mrkací reflex. Použité vztahy: Pro výpočet využijeme vztahu (1), uvedeného na straně

43 Graf 1 Vzdálenost pozorovatele od laseru [m] Vliv výkonu laseru na vzdálenosti od zdroje, při které dochází k poškození zraku (NOHD) Výkon laseru [mw] Graf 2 Vzdálenost pozorovatele od laseru [m] Vliv výkonu laseru na vzdálenosti od zdroje,při které dochází ke vzniku oslepení a paobrazů Výkon laseru [mw] 36

44 Graf Vliv výkonu laseru na vzdálenosti od zdroje,při které dochází ke vzniku oslnění Vzdálenost pozorovatele od laseru [m] Výkon laseru [mw] Závěr výpočtu Při pohledu do jednotlivých grafů vidíme, že i běžně dostupné laserové ukazovátko o výkonu 10mW, způsobí nevratné poškození sítnice do vzdálenosti cca 18m, oslepení pozorovatele cca do vzdálenosti 80m a oslnění do vzdálenosti cca 380m. Vliv atmosférických podmínek Obecně můžeme konstatovat, že čím budou horší meteorologické podmínky, tím obtížněji bude laserový paprsek prostupovat atmosférou. Intenzita paprsku je utlumena smogem, pevnými částicemi v atmosféře, částicemi vody atd. Zároveň bude obtížnější zaměření cíle laserovým paprskem, tudíž bude míra nebezpečí pro posádku nižší. 37

45 8. POSOUZENÍ UMÍSTĚNÍ LASEROVÉHO ZDROJE VZHLEDEM K DRÁZE A POHYBU LETADLA A MOŽNOSTI PŘÍMÉHO ZASAŽENÍ KABINY LETADLA V rámci řešení diplomové práce, byl dne realizován praktický pokus ve VVP Brdy, jehož cílem bylo: ověřit vnímání laserového paprsku lidským okem ve dne a v noci na různé vzdálenosti, demonstrovat rozdílné vnímání různých barev laserového paprsku lidským okem, ověřit a demonstrovat jak snadné či obtížné je realizovat útok na pohybující se vozidlo a letící vrtulník na různé vzdálenosti, ověřit chování posádky vrtulníku po zaměření vrtulníku do kužele laserového paprsku, ověřit možnost přímého zasažení oka posádky laserovým paprskem, ověřit vliv laserového záření na přístrojové vybavení vrtulníku. Tento bod problematiky bude dále detailně rozebrán v závěrečné kapitole diplomové práce. Podmínky pokusu Místo realizace: Datum realizace: Teplota: Vojenský výcvikový prostor Jince od 17:00 23:00 hod 15 0 C Relativní vlhkost: 33% Tlak: Vítr: Dohlednost: Osvětlení ve dne: Osvětlení v noci: Vzdálenost bodu A-B: Vzdálenost bodu A-C: Vzdálenost bodu A-D: Vzdálenost bodu A-E : Nadmořská výška bodu A: Nadmořská výška bodu B: Nadmořská výška bodu C: Nadmořská výška bodu D: 1033,3 hpa 1,8m/s několik kilometrů 2200 lx 0,1lx 588m 521m 1 641m 2000 m 648 m n.m. 626m n.m. 639m n.m. 691m n.m Terén a lokalita byla vybrána tak, aby nemohlo dojít k náhodnému poškození zraku u nezúčastněných osob. Profil terénu mezi jednotlivými body znázorňují 38

46 přiložené grafy. Ozařování osob ve vozidlech a ve vrtulníku bylo realizováno na vzdálenost větší než je NOHD, aby se vyloučilo poškození zraku u všech osob, které se pokusu účastní. Ve směru A-B byl realizován útok na jedoucí vozidlo zepředu. Ve směru A-C byl realizován útok na jedoucí vozidlo z boku. Ve směru A-D byl realizován útok na jedoucí vozidlo ve vzdálenosti 1600m. Ve směru A-E byl realizován útok na nízko letící vrtulník Policie ČR na vzdálenost cca 2 000m. Obr.20 Vyobrazení lokality ve VVP Brdy - Jince, ve které byl realizovaný pokus [23] Graf 4 20 Profil terénu ve směru A-B 15 Převýšení [m] Vzdálenost od místa útočníka [m] 39

47 Graf 5 Profile terénu ve směru A-D Převýšení [m] Vzdálenost od místa útočníka [m] Pozn.: modrá čára znázorňuje trajektorii laserového paprsku Technické vybavení V průběhu realizace pokusu, byly použit zelený a modrý laser. Charakteristiky všech přístrojů jsou uvedeny tabulce. Tab. 11 Technické parametry použitých laserů Typ Max. Vlnová Výkonová výkon délka stabilita [mw] [nm] Zelený DPGLlaser 2050F Modrý DPBL- laser Zelený laser Divergence [mrad] Rozměry [mm] % 1,2 46x60x F % 1,2 46.2x73x156 Pointer ,0 142x13 Oba lasery o výkonu 50mW byly umístěny na stativu, který umožňoval jak stranové tak výškové nastavení. Laser o výkonu 150mW byl ruční (laserové ukazovátko). Další technické vybavení: luxmetr VEGA, osobní automobil, vrtulník EC 135 Policie ČR, imatrikulační značky OK-BYH. 40

48 Obr.21 Stanoviště útočníka včetně technického vybavení Průběh pokusu Před zahájením pokusu byla určena vzdálenost NOHD pro použité lasery, která nesměla být žádným z účastníků pokusu porušena. Pro výpočet NOHD bylo použit vztah (1). NOHD pro laser o výkonu 50mW.. 50m NOHD pro laser o výkonu 150mW...86m Denní část pokusu V průběhu denní části pokusu byly postupně oba lasery nasměrovány ve směru bodů A-B a byl simulován útok na jedoucí automobil z dálničního mostu. Každý z účastníků mohl sám na sobě vyhodnotit, jakým způsobem vnímá dopadající laserový paprsek. Níže uvedený obrázek zaznamenává intenzitu záření, kterou řidič vnímá na vzdálenost cca 500m od místa zdroje záření. Všichni účastnící pokusu se shodli, že záření způsobuje oslnění a někteří pozorovatelé vnímali intenzitu záření až bolestivě a pohled do svazku paprsků byl pro ně nepříjemný. 41

49 Obr.22 Pohled do svazku laserového paprsku na vzdálenost cca 500m přes přední sklo osobního automobilu za denního světla Noční část pokusu Noční část pokus probíhala od 20:00 do 23:00 hodin. V první části bylo demonstrováno rozdílné vnímání různých barev laserů lidským okem. Na vzdálenost cca 25m byl na kovovou tabuli namířen zelený a modrý laser. Jednoznačně bylo ověřeno, že zelenou barvu laseru vnímá lidské oko intenzivněji než například modrou. Tento předpoklad byl vysvětlen v předchozích kapitolách na spektrální křivce citlivosti lidského oka při skotopickém a fotopickém vidění. Právě díky vyšší intenzitě vnímání zelené barvy lidským okem je zelený laser mezi útočníky nejvíce oblíben. Obr. 23 Demonstrace různého vnímání dvou barev světla lidským okem, zelenou barvu vnímáme intenzivněji než modrou 42

50 Ve druhé části pokusu byla demonstrována intenzita laserového záření, generovaného 50mW laserem na vzdálenost cca 1600m, namířeného na osobní vozidlo. Každý účastník pokusu si mohl osobně vyzkoušet, jakým způsobem vnímá dopadající záření. I přes poměrně velkou vzdálenost pozorovatele od zdroje, je dopadající paprsek natolik intenzivní, že pozorování předmětů ve směru dopadajícího paprsku není možné, záření pozorovatele oslepuje a způsobuje nutkání si zakrýt oči nebo otočit hlavu mimo směr dopadajícího paprsku. Bezpečné řízení vozidla se stává nemožné. Na obrázku je také patrný nárůst průměru svazku paprsku, který na vzdálenost 1 600m, činí při divergenci 1,2 mrad, cca 1,8m. Obr. 24 Vnímání laserového paprsku o výkonu 50mW na vzdálenost 1600 v nočních hodinách přes přední sklo osobního vozidla Ve třetí části byl realizován boční útok na jedoucí vozidlo ve směru A-C na tzv. na vzdálenost cca 550m. I přesto, že se nejednalo o přímý útok na čelní sklo auta a teoreticky by nemělo dojít k oslnění nebo krátkodobému oslepení řidiče vozidla, člověk vždy instinktivně otočí hlavu ve směru dopadajícího světla. Následně dochází k nebezpečnému oslnění nebo vzniku paobrazů a bezpečné řízení vozidla se stává opět nemožné. Čtvrtá část nočního pokusu byla zaměřena na demonstraci reálného útoku na nízko letící vrtulník Policie ČR. Ověřovala se možnost zásahu v případě visu vrtulníku nad terénem a za letu. Při pokusu byl vrtulník ozařován pouze ručním laserem o výkonu 150mW ve směru A-E. Ruční laser nebyl upnut na stativ, byl držen v ruce jako za reálné situace. V prostoru bodu E se vrtulník pohyboval ve výšce cca 300m nad terénem, rychlostí v rozmezí km/h. Vzhledem k tomu, že laser ve viditelné části spektra vyzařuje viditelnou stopu paprsku, je zaměření pohybujícího se vrtulníku poměrně snadné i na vzdálenost 2000m v nočních hodinách. Poloha vrtulníku v prostoru v nočních hodinách se dá určit poměrně snadno díky červenému pozičnímu světlu, které je umístěné na ocasních plochách. Dlouhodobější udržení paprsku na jednom bodě vrtulníku je poměrně obtížné, protože se začne projevovat třes rukou, které znesnadňuje dlouhodobé zaměření cíle na velkou vzdálenost. V případě instalace ukazovátka na stativ, by zaměření a udržení polohy paprsku na jednom bodě bylo snažší, nicméně nelze předpokládat, že by se v reálné situaci pachatel zdržoval instalací laseru na stativ. Ze statistik vyplývá, že útoky jsou krátké a pachatel se snaží rychle měnit svoji polohu, aby znesnadnil dopadení. 43

51 Obr.25 Znázornění trajektorie laserového paprsku ručního laseru o výkonu 150mW, zaměřeného na vrtulník EC 135 Policie ČR. Při zásahu cíle laserem, se cíl rozzáří jasným světlem Obrázek 26 znázorňuje pohled z kokpitu při zásahu laserovým paprskem. Patrný je nárůst průměru svazku paprsků, který na vzdálenost cca 2 000m při divergenci 1mrad dosahuje průměru cca 2m.Paprsek tak ozařuje velkou část plochy čelního skla vrtulníku. Vzhledem k tomu, že NOHD je pro 150mW laser cca 86m, nemohlo v našem případě dojít k poškození zraku posádky vrtulníku. Posádka vrtulníku nicméně vnímala dopadající záření jako velmi nepříjemné až bolestivé. Při každém přímém zásahu čelního skla vrtulníku, bylo patrné, že posádka na krátkou dobu ztratila orientaci, což se projevilo kolíbavým pohybem vrtulníku. Obr.26 Intenzita dopadajícího paprsku vnímaná z kokpitu na vzdálenost cca 2 000m[12] 44

52 Závěr a vyhodnocení pokusu Praktický pokus ve VVP Brdy Jince názorně demonstroval účinky laserového paprsku na řidiče jedoucího vozidla a posádku vrtulníku. Jednoznačně se potvrdilo, že i běžně dostupná laserová ukazovátka o výkonu 150mW jsou nebezpečná nejenom z hlediska poškození zraku, ale i z hlediska psycho vizuálních efektů, které jsou vyvolané pohledem do intenzivního světla laserového paprsku. Zaměření letícího letadla na vzdálenost několika stovek metrů až cca 3km je poměrně snadné i běžným laserovým ukazovátkem nebo ručním laserem. V případě, že je laser navíc umístěn na stativu, umožňuje dlouhodobé zaměření na jeden bod cíle, čímž jsou účinky oslnění na lidský organismus výraznější. Pokud je laserové ukazovátko drženo pouze v ruce, je možné přesně zaměřit cíl na několik sekund, protože následně se projeví třes rukou. Lidské oko není při útoku zasaženo úzkým svazkem laserového paprsku, ale vzhledem k divergenci paprsku je cíl na vzdálenost několika kilometrů zasažen plošně. 45

53 9. TECHNICKÉ MOŽNOSTI OCHRANY POSÁDKY LETADLA PŘED NEGATIVNÍMI VLIVY LASEROVÉHO ZÁŘENÍ V současné době je na trhu k dispozici celá řada ochranných prostředků pro omezení nepříznivých vlivů laserového záření na lidský organismus. Mezi základní ochranné prostředky patří brýle a skla se speciálními filtry, ochranné rukavice, kombinézy a ochranné zástěny atd. Z hlediska použití v civilním letectví se jeví jako nejvhodněji ochranné prostředky brýle nebo ochranná skla. Ochranné brýle se stejně jako dioptrické skládají z rámu a skla (ochranného filtru). Případnému masovému nasazení těchto prostředků v civilním letectví musí předcházet ověření jejich skutečných vlastností v praxi. V rámci řešení diplomové práce byly plánované další praktické zkoušky ve spolupráci s Univerzitou obrany v Brně a vojenskými leteckými základnami v ČR, které měli ověřit některé předpoklady pro použití níže uvedených ochranných prostředků v letectví. Vzhledem k termínu těchto zkoušek, které budou realizovány cca v červenci/srpnu 2011, nemohou být výsledky zkoušek zahrnuty do diplomové práce. Ochranné prostředky, které by měly ochránit posádku letadla před vlivy laserového záření, musí splňovat následující parametry: poskytovat dostatečnou ochranu proti negativním vlivům laserového záření ve viditelné části spektra, tzn. zabránit poškození zrakového orgánu a omezit oslepení nebo oslnění posádky, zabezpečit dostatečnou propustnost denního světla tak, aby posádka letadla mohla bezpečně sledovat okolní prostředí, přístroje, navigační mapy atd., nesmí zkreslovat vzdálenosti předmětů, jejich rozměry a tvary. musí umožnit komfortní nošení, musí umožnit případnou snadnou montáž na konstrukci letadla, musí být cenově dostupné. Při posuzování kvality ochranných prostředků proti laserovému záření, hodnotíme tyto parametry: optická hustota O.D. (Optical Density): určuje jakou měrou ochranná pomůcka pohlcuje dopadající záření. V případě, že je udávaná optická hustota 6, je dopadající záření utlumeno 10 6 x, propustnost denního světla, VLT (Visible Light Transmission): množství denního světla, které je ochrannými prostředky propuštěno. 46

54 9.1 Přehled možných ochranných prostředků proti laserovému záření v letectví a) ochranné brýle Ochranné brýle proti účinkům laserového záření představují nejdostupnější ochranný prostředek pro posádky letadel. Brýle poskytují ochranu vždy pro jednu konkrétní vlnovou délku záření. Ostatní vlnové délky brýle propouští. Pokud použijeme brýle s ochrannou proti záření o vlnové délce 532nm(zelený laser), brýle utlumí pouze tuto vlnovou délku. Lasery jsou vysoce monochromatické zdroje záření a vlnová délka emitovaného světla se nemění. Při použití ochranných brýlí proti zelenému laseru bude posádka chráněna před zeleným laserem, nicméně například předměty zbarveny do zelena nebo přístroje, které jsou osvícené zelenou barvou, budou i při použití ochranných brýlí pro posádku viditelné, protože vlnová délka těchto barev bude různá od 532nm. Při volbě vhodných brýlí proti laserovému záření je třeba brát v úvahu: vlnovou délku záření, proti kterému požadujeme ochranu, výkon laseru. Ochranné filtry se nabízejí ve dvou provedeních: skleněné filtry: poskytují maximální ochranu a zároveň zajišťují vysokou propustnost světla. Dostupné jsou i v dioptrické verzi, polykarbonátové filtry: předností je nižší váha a odolnost proti nárazu. V tabulce 12 a v Příloze 5 jsou uvedeny vytipované ochranné brýle pro ochranu posádek letadel. Jejich praktické ověření nebylo z časových důvodů možné. Tab. 12 Přehled ochranných brýlí vytipovaných po použití v letectví [24] Optická Filtr Cena Poznámka Výrobce Model hustota bez DPH Univet Polykarbonát 2 600,- Nositelné i přes dioptrické brýle Univet Polykarbonát popřípadě sklo 4850,- Maximální stupeň ochrany, nositelné přes dioptrické brýle, nastavitelné nožičky obrouček pro komfortní nošení, nastavitelná nosní podpěrka. Uvedené brýle splňují tyto prvotní předpoklady: poskytují ochranu proti laserům pracující na vlnové délce 532nm (zelený laser), 47

55 umožňují nošení spolu s dioptrickými brýlemi, jedná se o cenově dostupné řešení, nevyžadující komplikované úpravy draku letadla atd. Ochranné brýle navrhuji používat pro všechny členy posádky ve fázi přiblížení na přistání a vzletu, kdy je pravděpodobnost zásahu posádky letadla nejvyšší. b) ochranné reflexní vrstvy Nanášení reflexních vrstev na čelní sklo letadla, přestavuje další možnost ochrany posádky před negativními vlivy laserového záření. Jedná se o velmi tenké a měkké vrstvy vyrobené například z MgO, které jsou napařované na sklo. Poskytují vždy ochranu proti jedné konkrétní vlnové délce záření. Nevýhody řešení spočívají: napařované vrstvy jsou velmi náchylné na mechanické poškození a tudíž nemohou být naneseny na vnější stranu čelního skla. Možným řešením je nanášení vrstev na vnitřní stranu skla nebo nanášení ochranných vrstev tvrdokovu. reflexní vrstvy poskytují maximální stupeň ochrany, pokud záření dopadá kolmo na sklo. Vzhledem ke sklonu čelního skla dopravního letadla (cca 30 0 ) není tento předpoklad splněn. technicky komplikované řešení pro letadla, která jsou již v provozu, omezená životnost, cenová náročnost. c) systém automatického stmívání čelního skla Jedná se o systém, jehož vývoj probíhá v USA pro potřeby americké armády. Dle prvotních informací, by se měl skládat z několika čidel, rozmístěných na povrchu letadla, které při detekci intenzivního světla ztmaví čelní sklo a tím omezí případné oslnění posádky. d) další možnosti útlumu intenzity dopadajícího záření Čím více bude čelní sklo skloněno, tím větší část dopadajícího záření bude odražena, a nižší intenzita záření pronikne k posádce. V případě vozidel budou více ohroženi řidiči nákladních vozidel, které nemají skloněná čelní skla, naopak méně budou ohrožení řidiči osobních vozidel. Útlum intenzity záření také nastává u vrstvených skel, kde každá vrstva způsobí útlum intenzity záření. 48

56 10. VLIV LASEROVÉHO ZAŘENÍ NA TECHNIKU LETADLA Vliv laserového paprsku na letadlo, budeme posuzovat ze dvou hledisek: případný vliv na konstrukci letadla, případný vliv na elektroniku letadla. Předpoklady a závěry této kapitoly, vycházejí z praktického pokusu, který se realizoval 19.4 ve VVP Brdy, viz kapitola 8. Vliv laserového paprsku na konstrukci letadla Budeme předpokládat, že laserový útok pachatel realizuje na vzdálenost cca 500m běžným laserovým ukazovátkem s divergencí 1mrad a výkonu cca 150mW. Na vzdálenost 500m bude mít paprsek průměr 0,5m, čemuž odpovídá plocha kruhu, který se vytvoří na cíli cca 0,2m 2. Intenzita ozařování cíle bude mít velikost cca 0,75W/m 2, což je hodnota, která nemůže způsobit jakékoliv poškození konstrukce letadla. Pro srovnání, uvádím výkony laserů, které se používají k dělení materiálu v průmyslu. Jedná se o CO 2 lasery o výkonu cca 2kW, které jsou schopny dělit konstrukční oceli do síly 3mm a hliníkové slitiny do 6mm síly. Dopadající paprsek má průměr cca 2mm (plocha cca 3, m 2 ), vzdálenost paprsku od zdroje je cca 5-7cm a intenzita ozařování dosahuje hodnot cca W/m 2. Vliv laserového paprsku na elektroniku letadla Při praktickém pokusu, kdy byl ozařován vrtulník Policie ČR, který byl vybaven CCD kamerou a termovizní kamerou. Obě kamery byly umístěny na přistávací lyžině. CCD kamera termovizní kamera Obr.28 Umístění CCD a termovizní kamery na EC

57 Dle vyjádření posádky, nebyly zaznamenány jakékoliv negativní vlivy na navigační a komunikační vybavení vrtulníku. Naopak intenzivní zdroj světla představuje nebezpečí pro CCD kamery nebo pro přístroje nočního vidění (noktovizory). Při zásahu CCD kamery intenzivním zdrojem světla dojde k tzv. bloomingu, jevu, kdy na pixely kamery dopadá velké množství světla a je překročena jejich kapacita. Následně se snímaný obraz přenáší jako systém svislých čar nepravidelné délky. Pokud je působení intenzivního světla krátké v řadu několika sekund, dojde ke krátkodobému výpadku CCD kamery. Dlouhodobější expozice představuje riziko trvalého poškození kamery. Záznam ze CCD kamery po zásahu laserovým paprskem bude prezentován v rámci obhajoby diplomové práce. Stejná situace nastává u noktovizorů. Noktovizory zesilují zbytkové světlo o vlnových délkách nm a převádějí ho na viditelné světlo. Při pohledu do silného zdroje světla, může dojít buďto ke krátkému několika minutovému vyřazení noktovizoru z provozu, nebo k trvalému poškození vnitřních elektronických součástek noktovizoru a jeho úplnému vyřazení z provozu. Zde je potřeba zmínit i případné nebezpečí pro posádku. Jak už bylo výše uvedeno, noktovizor dopadající světelné záření zesiluje. Při pohledu do intenzivního zdroje světla to znamená, že na lidské oko dopadá daleko vyšší intenzita záření a posádka může zaznamenat až bolestivé oslnění. 50

58 11. ZÁVĚR Při řešení problematiky laserových útoků jsem se zaměřil především na vlnové délky laserového záření, které jsou pro lidské oko viditelné ( nm). Nebezpečí uvedených laserů spočívá nejenom v riziku poškození zrakového orgánu ale i z hlediska psychovizuálních jevů, které vznikají v důsledku pohledu do intenzivního zdroje světla. Nelze ale vyloučit, že se v budoucnu objeví útoky lasery, které pracují na vlnových délkách, které jsou pro lidské oko neviditelné. Zaměření letadla nebo vozidla bude v tomto případě technicky náročnější, nicméně proveditelné. Rovněž odhalení pachatele útoku bude obtížnější, protože jeho poloha nebude prozrazena viditelnou stopu laserového paprsku. Nebezpečí laserových útoků dokladuje dostupná statistika zpracovaná americkým leteckým úřadem, kdy za rok 2010 bylo na území USA spácháno úmyslných laserových útoků na letadla, z toho 636 případů vedlo k trvalému poškození zraku posádky letadla a v jednom případě došlo k havárii vrtulníku, při které zemřeli všichni členové posádky. Míra nebezpečí pro posádku při laserovém útoku bude záviset na: výkonu laseru: s rostoucím výkonem, rostou bezpečnostní rizika pro posádku, divergenci paprsku:paprsek s malou divergencí, bude představovat vyšší míru rizika, denní době: účinky laseru na lidský organismus jsou výraznější v noci, než za denního světla, barvě laserového paprsku: lidský organismus vnímá intenzivněji vlnové délky světla v rozmezí nm. V rámci praktického pokusu bylo ověřeno, že nebezpečných jevů, jakými jsou oslnění, či záblesková slepota lze dosáhnou i na vzdálenost několika kilometrů běžně dostupnými lasery o výkonu 30mW. Bohužel na trhu jsou volně prodejná laserová ukazovátka o výkonech až řádově stovek miliwattů. Laserová ukazovátka a ruční lasery se nabízejí v celé škále barev, což komplikuje případnou ochranu posádky před laserovými útoky. Dostupná ochranná zařízení, jakými jsou laserové brýle a filtry, poskytují ochranu pouze pro konkrétní vlnovou délku záření nebo pro určitý poměrně úzký rozsah vlnových délek. Na základě dostupných informací o vhodných ochranných prostředcích proti laserovému záření, doporučuji zahájit praktické zkoušky s ochrannými brýlemi. Jedná se o technicky nejjednodušší řešení, které je zároveň cenově dostupné a vhodné i pro osoby s dioptrickými brýlemi. Laserové brýle by používali všichni členové posádky v kritické fázi letu, tzn. vzlet a přistání, v případě posádek vrtulníku při operacích v nízkých výškách nad terénem nebo ve visu. Čitelnost přístrojů či vnímání ostatních barev by neměla být omezená. Riziko laserových útoků pro civilní letectví může být dále sníženo přijetím následujících opatření: 51

59 a) opatření pro posádky letadel: prakticky seznámit posádky letadel s účinky laserového záření na jejich organismus, tak, aby posádka letadla byla připravená na případný útok a věděla, jaké účinky a reakce může očekávat, pokud je to možné, vyhnout se oblastem, kde v minulosti byly zaznamenány laserové útoky, pokud je to možné, vyhnout se oblastem, kde jsou patrné intenzivní zdroje světla (diskotéky, zábavní parky atd.) a informovat o této lokalitě stanoviště řízení letového provozu, v případě, že je letadlo zaměřeno laserovým paprskem, snažit se paprsek nesledovat pohledem, snažit se zakrýt oči, stáhnou sluneční roletu atd, zapnout autopilota pokud je letadlo tímto systémem vybaveno. b) legislativní opatření: omezit nebo evidovat prodej laserových ukazovátek a ručních laserů nad 5mW. Pro běžné účely, pro které byla laserová ukazovátka určena, tzn. prezentační účely, je výkon 5mW plně dostatečný. Je potřeba si uvědomit, že za určitých okolností může mít výkonné ukazovátko stejné účinky jako zbraň. doplnit varovné nálepky na laserových ukazovátkách o dodatečné varování, např. NEMIŘTE UKAZOVÁTKEM NA DOPRAVNÍ PROSTŘEDKY. c) opatření společenského charakteru: seznámit širokou veřejnost s nebezpečím, které může nevhodné použití laserových ukazovátek způsobit. V rámci praktického pokusu bylo ověřeno, že není obtížné v nočních hodinách zaměřit vrtulník i na vzdálenost cca 2,5km ručním ukazovátkem. Při větších vzdálenostech klesá přesnost zaměření, začíná se projevovat třes rukou a letící cíl lze zaměřit pouze na velmi krátkou dobu. Dále byly potvrzeny předpoklady, že běžně dostupná laserová ukazovátka nebo ruční lasery nemohou svým výkonem způsobit žádná poškození konstrukce letadla a nemají vliv na komunikační a navigační vybavení letadla. Riziko představuje laser pouze pro CCD kamery a přístroje nočního vidění, kde intenzivní zdroj světla může poškodit vnitřní elektronické prvky. 52

60 SEZNAM PŘÍLOH 1. Přehled laserových útoků za období [12] 2. Vertikální členění ochranných letových prostorů s výskytem maximální úrovně intenzity laserového záření [9] 3. Horizontální členění ochranných letových prostorů [9] 4. Nejvyšší přípustné expozice laserového záření na lidské oko [7] 5. Ochranné brýle proti laserovému záření [24] 53

61 Příloha 1 Přehled laserových útoků v ČR za období Datum Čas (UTC) 24,0 0 20,0 0 21,2 4 19,4 7 19,2 0 16,4 5 17,0 5 18,0 6 19,3 8 19,5 3 21,1 4 21,2 7 21,0 4 21,3 0 22,3 0 21,1 7 Č. zprávy 42/2009+ oznámení na PČR /2009 FS 366_09 172/2009 FS 552_09 217/2009 FS 663_09 218/2009 FS 669_09 20/2010 FS 40_10 33/ MEB158 - FS 74_10 68/ FS 174_10 MEB095 MEB220 Poloha letadla, fáze letu přiblížení na RWY 13 LKPR po vzletu z RWY 13 LKPR přiblížení do LKPR, FL 170 po vzletu RWY 13 po vzletu RWY24 po přeletu silnice E48 přiblížení, před prahem RWY24 přiblížení RWY 24 LKPR JV od bodu RASIM R-335/28 NM od VOZ VOR po vzletu RWY 06 LKPR finále RWY 31 LKPR Lokalizace zdroje Kladno Rozdělov Nejbližší město Kladno Provozovatel, poznámky OK 649, 5x úmyslné zaměření a zásah zeleným laserem, ohrožení letu Sobín z. Prahy OK R-045 od OKL VOR, 53 NM Severových. okraj obce Kosoř centrum Hostivice silný zdroj Levé boční okno jedoucího auta Kopanina směr Horoměřice Černý most, Vých.spojka/ Olomoucká Klánovice/křiž ovatka na Hlavní ulici Úvaly Pražská/Rais ova Semily OK 905 Radotín Hostivice Horoměřic e v. Prahy OK 701 Úvaly Jílové - Psáry Jílové OK 732 úroveň FAF 3500 ft pro RWY 24 (zhruba Klecany) levý břeh Vltavy ca. 500 m vpravo od prodloužené osy dráhy 31 s. Prahy Zbraslav OK 770 Pilot na levé sedačce (5x opakovaný zásah) OK 854; pilot na levé sedačce-vyšetření oční lékař OK 623; záblesk zleva, zásah cpt., snaha udržet letadlo v paprsku laseru pilot OK 027 4x zásah zeleným laserem + OK 405; bolest v očích OK 930, pilot z levé strany Lufthansa DLH3RC MEB185 Velká Chuchle NIL Praha OK-BYD Policie ČR MEB173 MEB085 MEB144 finále RWY 06 LKPR Vinařice bod ELPON z levé strany, vzd. 4 NM (Unhošť) mezi Vinařicemi a Libušínem oslnění zprava ze směru 3h Petříkov V.Popovice Unhošť s. Kladna V.Popovic e Wizzair 812Z - zásah do kabiny OKBYH Policie ČR opakované oslnění EL AL 522 d min 7 5 5,5 54

62 ,5 4 20,4 6 19,3 2 20,2 5 21,2 3 22,2 0 20,1 5 18,5 5 19,3 5 18,2 7 21,0 8 19,0 5 19,2 2 20,3 3 18,1 0 19,0 4 22,2 8 19,4 0 MEB126 MEB /2010 MEB137 MEB114 MEB108 MEB089 MEB155 MEB070 MEB102 MEB167 MEB091 MEB098 MEB144 MEB N E po vzletu z RWY 06 LKPR, FL NM finále RWY 06 LKPR vektorování na RWY 24 LKPR, ALT 5300 ft zhruba 5015N 1510E, zřejmě cestovní FL přiblížení na RWY 24 LKPR - FAF, ALT 3500 ft přiblížení na RWY 24 LKPR, 8 NM přiblížení na RWY 24 LKPR, OM (ca. 7,4 km od prahu) přiblížení na RWY 24 LKPR, poloha FAF RWY 31 přiblížení na RWY 24 LKPR, ILS, ALT 3500 ft po vzletu z RWY24 LKPR, ALT 3300 ft přiblížení na RWY 24 LKPR, 6 NM od OKL přiblížení na RWY 06 LKPR po vzletu z RWY24 LKPR po vzletu z RWY31 LKPR přiblížení na RWY31 LKPR, levý BL 31 poloha letadla mezi H.Počernice Klánovice, zásah zleva z neurčené obce poloha letadla mezi Skryje Karlova Ves, oslnění zprava H.Počernice Běchovice poloha letadla Křinec poloha letadla Zdiby, oslnění zleva (ca. Bohnice) Praha 8 sídliště Bohnice Suchdol Horoměřice ca. Velké Popovice D1 poloha letadla Zdiby přelet D8, oslnění zepředu zleva zhruba Kladno nebo jižně Kladna mezi Roztoky - Suchdol 0,8 NM od prahu dráhy (mezi dálnicí a prahem, vlevo od osy) v. Prahy 15km j. Rakovníka jv. Prahy mezi Nymburk Kopidlno OK 020, vícenásobný zásah, zelený paprsek rotující o 360 Wizzair 812J OK 707, laser Air Berlin 541D, zelený laser zpoza pravého křídla s. Prahy Lufthansa 3RC s. Prahy OK 6511, dva zásahy s. Prahy EL AL 521 jv. od Prahy s. Prahy Kladno s. Prahy z. Prahy OK 707, zelený laser Travel Servis 665, ohrožení zeleným laserem OK 520, dva zásahy zeleným laserem v ALT 3300 a 5000 ft Lufthansa 3RC, oslnění záblesky bílým světlem zprava doleva OK 6747 a OK 7323 čtyřnásobný zásah, zelený laser okolí Kladna Kladno Air France km sz. od Slaný Slaný OK 3KF, zelený blikající laser Psáry Jesenice Brussels Airlines 8L MEB114 na trati Tmáň Zdice OK-BYB Policie ČR MEB121 MEB175 přiblížení na RWY31 LKPR, FAF 49N E na trati Lahovice j. Prahy Travel Servis 1113 Vítězné nám., Praha 6 Praha OKBYB Policie ČR 55

63 ,3 3 18,4 2 22,1 1 23,2 2 18,1 2 18,1 1 18,5 8 19,5 6 20,0 1 17,3 1 20,0 2 16,3 9 MEB148 MEB022 přiblížení na RWY 31 LKPR, N E , FL 90 N , E Úvaly Český Brod Úvaly OK 509, OK 545, EasyJet 809B, Lufthansa 2XK, mnohonásobné a trvající zasažení silným zeleným laserem Přezletice Vinoř OKEYE, zelený laser MEB013 Jirny, ALT 5000 ft Jirny Úvaly Travel Servis 1179 MEB125 MEB085 MEB106 MEB155 MEB082 MEB130 MEB077 přiblížení na RWY13 LKPR, finále 6 NM od prahu přiblížení na RWY 24 LKPR, finále 8 NM přiblížení na RWY 24 LKPR, finále po vzletu z RWY13 po vzletu z LKPR 50N1169/014E N5434/14E3071 Jílové u Prahy přiblížení na RWY 24 LKPR, finále, OM (ca. 7,4 km od prahu) poloha letadla mezi Vinařice Buštěhrad, zdroj ca. 9 km vlevo z. okraj sídliště Letňany poloha letadla mezi P.Kopaninou a Horoměřicemi Hostivice, sklad fy Kettler nebo OPC Intl. obec mezi Kladno Slaný V. Přílepy Brussels Airlines 8L Praha s. Prahy Hostivice OK 571, silný zelený laser, bez oslnění OK 903, zelenomodré světlo Kladno OK 7322 Modletice Jesenice OK 978 zasažení z levé strany OK 43D, OK 978, OK 914 s. Prahy Swiss 498L 56

64 Příloha 2 Vertikální členění ochranných letových prostorů s výskytem maximální úrovně intenzity laserového záření [9] 57

65 Příloha 3 Horizontální členění ochranných letových prostorů [9] 58

66 Příloha 4 Nejvyšší přípustné expozice laserového záření pro lidské oko [7] 59

67 Příloha 5 Ochranné brýle proti laserovému záření, nahoře model 562, dole 559. [24] 60