Важней всего — погода… в космосе
Зачем нам нужен точный прогноз нюансов космического «климата»?
Разработка концепции космической погоды, которая должна в перспективе обеспечить прогноз состояния геокосмоса в реальном времени, провозглашена международным сообществом одной из наиболее важных мировых научных проблем ХХI столетия.
Превратности космической погоды
Геокосмос — область пространства, простирающаяся примерно от 100 километров над поверхностью Земли вплоть до орбиты Луны.
До начала космической эры его изучение носило в основном фундаментальный характер. Однако со второй половины ХХ века интерес к этой области пространства стал сугубо практическим из-за возможности эксплуатации геокосмоса в интересах технического прогресса. Сегодня там работают десятки космических систем и сотни спутников, обеспечивая потребности цивилизации в глобальной связи, телерадиовещании, навигации и безопасности судовождения, в визуализации и прогнозах погоды, предупреждении цунами, в диагностике Мирового океана и земной поверхности, разведке полезных ископаемых…
Проблема в том, что этим устройствам приходится работать среди превратностей космической погоды, приводящих к потере бортовой спутниковой аппаратурой ресурса надежности и долговечности. В геокосмосе бушуют мощные магнитные бури, формируются плазменные облака, текут гигантские токи, проносятся сгустки энергичных частиц солнечного ветра, время от времени вспыхивают электромагнитные излучения.
Без систематических исследований околоземного пространства с помощью специальной аппаратуры, установленной как на спутниках, так и на поверхности Земли, невозможно дальнейшее развитие самой космической отрасли.
Цикл исследовательских и конструкторских работ «Космические системы, приборы и методы диагностики электромагнитных полей в геокосмосе» выдвинут на соискание Государственной премии в области науки и техники в 2008 году. В него входят более 20 украинских и международных космических проектов, выполненных специалистами Национального космического агентства Украины, Института космических исследований и его Львовского центра, Национального университета им. Тараса Шевченко, конструкторского бюро «Южное» им. М. К. Янгеля и Радиоастрономического института НАН Украины.
Без геокосмоса и не туды, и не сюды…
— Для человека катаклизмы, происходящие в геокосмосе, невидимы, хотя и ощутимы: от магнитных бурь, бушующих в магнитосфере, во многом зависит самочувствие людей, — говорит один из соавторов цикла работ, доктор физико-математических наук, профессор, заведующий отделом Радиоастрономического института НАН Украины Юрий Ямпольский. — Эти возмущения влияют и на деятельность земных систем энергетики и электроснабжения, связи, на функционирование нефте- и газопроводов, авиации и других видов транспорта. Нельзя не упомянуть и о том, что благодаря работающим в геокосмосе аппаратам человечество получает сейчас до 90% всего потребляемого потока информации. К тому же, как говорится, аппетит приходит во время еды: потребители и разработчики непрерывно повышают эксплуатационные и точностные требования к новым спутниковым системам. Это хорошо иллюстрируется на примере систем глобального позиционирования и навигации. Благодаря новым спутниковым технологиям навигационная погрешность за последние 20 лет снизилась примерно в тысячу раз — с километров до метров.
При этом капризы геокосмоса являются сегодня серьезным препятствием для бесперебойного функционирования и дальнейшего совершенствования многих жизненно важных систем, обслуживающих нашу цивилизацию. Например, во время геомагнитных бурь на орбите Земли возникают токи силой в миллионы ампер с суммарной мощностью в десятки раз большей, чем мощность типичной электростанции. Особо сильные явления подобного характера могут нарушать работу спутников и даже вызывать каскадные отключения электричества на Земле. Так было, например, в США и Канаде во время мощных магнитных бурь в августе 1972-го и в марте 1989 года.
Еще один важнейший стимул для изучения плазменной оболочки Земли — ее высокая чувствительность к процессам энерговыделения, идущим снизу вверх: от поверхности нашей планеты на высоты геокосмоса. Ионосфера играет роль чуткого «камертона», реагирующего на самые разные катастрофические явления: циклоны, ураганы, тайфуны, цунами, землетрясения, извержения вулканов, лесные пожары и грозы. Причем в случае с землетрясениями аномальные процессы в ионосфере происходят задолго до них самих, являясь своеобразными предвестниками.
В последние годы, помимо природных катаклизмов, на геокосмос влияют техногенные факторы: неконтролируемые выбросы в окружающее пространство потоков тепловой, химической, радиационной и электромагнитной энергии, а также вторжение в геокосмос технических средств. В качестве примера можно привести аварии на атомных и тепловых электростанциях, пожары на нефтяных скважинах и газовых месторождениях, электромагнитный нагрев космической плазмы мощными наземными передатчиками. Издержки освоения околоземного пространства — также тонны «космического мусора»: последние ступени ракет-носителей, обломки и осколки разрушенных и старых спутников. И хотя пока рукотворное влияние на геокосмос не столь велико, ученые напоминают, что оно происходит в условиях неполного знания о структуре плазменной оболочки Земли и ее значения для жизни нашей планеты.
Украинские ученые давно занимаются исследованиями околоземного космического пространства и космическим приборостроением. Накопленный опыт, включающий теоретические и экспериментальные исследования, а также проектно-конструкторские разработки бортовых систем, позволил им создать несколько поколений спутниковых датчиков электрического потенциала, магнитного поля и плотности пространственного тока, с помощью которых получены пионерские научные данные. К значительным достижениям украинских специалистов следует добавить также новые наземные методы дистанционного мониторинга ионосферы и магнитосферы, которые признаны в мире и сейчас используются в разных странах.
— Хочу подчеркнуть, что если на поверхности Земли установлены границы между государствами, если можно говорить о летном воздушном пространстве той или иной страны, то «украинского», «российского» или «американского» околоземного пространства не существует, — говорит Юрий Ямпольский. — У нас есть один неразделимый геокосмос, в котором живет наша цивилизация.
Космические штанги и спутниковый «Интербол»
При разработке бортовых сенсоров для исследования геокосмоса специалисты сталкиваются с так называемыми классическими проблемами космического приборостроения. С одной стороны, нужно стремиться к тому, чтобы датчики обладали как можно большей точностью и чувствительностью, отличались максимальными частотными диапазонами. С другой — они должны быть предельно миниатюрными, легкими и потреблять как можно меньше энергии. К тому же на результаты их показаний не должен влиять сам космический аппарат: электромагнитные излучения бортовых систем, передатчиков телеметрической информации, а также своего рода возмущенная «атмосфера» из газов обшивки аппарата, которая образуется в результате бомбардировки спутника потоками высокоэнергичных частиц солнечного ветра.
Чтобы уменьшить влияние этой искусственной среды на тот или иной прибор, при создании космической платформы украинские инженеры разработали оригинальные выносные конструкции — космические штанги. Это своего рода «усы» длиной в несколько метров, предназначенные для установки сверхчувствительных датчиков измерения электромагнитного поля и плазменных характеристик геокосмоса. Простые для земных условий конструкции потребовали для реализации в космосе специальных инженерных решений и создания целого поколения космических платформ.
В числе наиболее значимых международных космических миссий, в которых приняли участие украинские ученые, первое место по своей продуктивности занимает спутниковый проект «Интербол». Аппарат был запущен для исследования остатков атмосферы и свойств магнитного поля на больших удалениях (десятки тысяч километров) от поверхности Земли. Он трудился в космосе с 1995 по 2000 год, в два раза превысив свой проектный ресурс.
В комплекс научных приборов, размещенных в «Интерболе», входили созданные в Украине инструменты для измерения постоянных и переменных магнитных полей. Благодаря им были изучены основные структурные составляющие магнитосферы – фронт ударной волны, магнитные облака, плазменные уплотнения и пограничные слои между ними. Анализ полученных данных и физическое моделирование позволили во многом расширить представления о геокосмосе в целом и уточнить, как именно он откликается на бомбардировку частицами солнечного ветра. Миссия стала настолько информативна, что многие ее результаты до сих пор используются для формирования образа космической погоды.
Оригинальные инженерные решения были реализованы и в других проектах. Например, в рамках международного эксперимента «Вариант» на спутнике «Січ-1М» был установлен новый волновой зонд, не имеющий аналогов в мировой практике. Украинские специалисты объединили в одном корпусе три разных типа физических датчиков для сравнительных измерений плотности пространственного тока в космической плазме. А для экспериментов на ныне действующем на околоземной орбите космическом аппарате «Компас-2» специалисты украинских НИИ и КБ создали предельно компактные космические приборы. К примеру, магнитометр переменного поля «LEMI-106» весит всего 75 граммов — в несколько раз меньше, чем его зарубежные аналоги.
Не имеет мировых аналогов и планируемый украинский проект «Ионосат», занимающий одно из ведущих мест в новой Национальной космической программе Украины на 2008—2012 годы. На близкие орбиты предполагается запустить необычную космическую группировку из трех микроспутников, которые в процессе эволюции орбит будут удаляться друг от друга на расстояния от десятков до двух тысяч километров. Такая пространственная конфигурация и оригинальная приборная комплектация позволят решить ряд принципиально новых научных задач. В их числе исследование пространственно-временной изменчивости газоплазменных и полевых характеристик ионосферы в зависимости от солнечной активности, осуществление поиска ионосферного отклика на катастрофические явления у поверхности Земли и создание базы данных для обнаружения ионосферных предвестников землетрясений. А также визуализация образа космической погоды на ионосферных высотах и проверка современной модели геокосмоса. Запуск космической миссии «Ионосат» запланирован на годы максимума солнечной активности (2012—2014 гг.). В этом случае ученые получат максимум информации о состоянии геокосмоса.
Мы долгое «эхо» друг друга…
На заре космической эры многие ученые, находясь под впечатлением первых успешных орбитальных миссий, считали, что геокосмос незачем изучать с Земли, поскольку получение всех необходимых данных обеспечат спутниковые исследования.
Оказалось, что это не так. И дело не только в проблеме влияния самого спутника на измерения или в невозможности запустить на разные орбиты достаточное для исследований количество аппаратов. Производительность спутниковых миссий в значительной мере зависит от возможности сопоставления бортовых данных с одновременными регистрациями плазменных характеристик геокосмоса методами дистанционного зондирования. Только такой совместный анализ позволит существенно расширить наши знания об околоземном пространстве и разработать более совершенные физические модели происходящих в нем процессов.
В качестве зондов ученые стали использовать специальные радиосигналы. Пример — уникальный эксперимент по дистанционному исследованию далекой от Земли магнитосферы с помощью радиоволн, проведенный харьковчанами совместно с российскими и американскими коллегами. В качестве излучателя был использован расположенный вблизи Нижнего Новгорода мощнейший российский передатчик «Сура», радиосигнал от которого достигал высот в 10 тысяч километров, что примерно в десять раз больше предельного диапазона. Часть посланного сигнала рассеивалась на возмущениях космической плазмы, и это сверхслабое «эхо» принимали чувствительные антенны крупнейшего в мире радиотелескопа УТР-2, расположенного под Харьковом.
Благодаря объединению двух этих уникальных инструментов впервые проведена локация магнитосферной турбулентности, которая порождалась взаимодействием магнитного поля Земли с потоками «солнечного ветра». Расшифрованные результаты этих экспериментов сверялись с синхронными спутниковыми измерениями состояния солнечной и магнитной активности. Этот уникальный международный эксперимент показал принципиальную возможность радарной диагностики далеких областей магнитосферы с поверхности Земли и вошел в число классических измерений характеристик геокосмоса.
Однако такие сложные и дорогостоящие эксперименты не могут проводиться в режиме мониторинга, поскольку они носят специальный эпизодический характер. Ученые харьковского Радиоастрономического института НАНУ предложили новую технологию наземной радиодиагностики геокосмоса, не требующую создания специальных радиопередатчиков и не «засоряющую» электромагнитный климат Земли. В качестве пробных сигналов используются уже существующие виды электромагнитного излучения, как природного, так и рукотворного. Это электромагнитные поля, порожденные грозовой активностью, радиоизлучение Солнца, квазаров и радиогалактик, геомагнитные пульсации, а также излучения многочисленных наземных и спутниковых радиопередатчиков. Они пронизывают разные области геокосмоса и, возвращаясь в виде «эха» к земному наблюдателю, приносят информацию об околоземной плазме.
В частности, используя широковещательные коротковолновые передатчики (в мире их насчитывается более 5 тысяч) и специальные приемные системы, харьковчане разработали когерентный радиолокатор, который позволяет контролировать динамические процессы в ионосфере на расстоянии до 1000 км от приемной позиции. С его помощью можно всесторонне исследовать естественные и искусственные процессы образования плазменной турбулентности. Уже три поколения экспериментальных установок работают не только на территории Украины, но и в США и на украинской станции «Академик Вернадский» в Антарктиде.
Как продолжение этих разработок создан и более современный автономный диагностический комплекс на базе цифровых компьютерных приемников с управлением через Интернет. В 2007 году он размещен на острове Шпицберген и позволяет ученым в непрерывном режиме наблюдать процессы, происходящие в ионосфере над Арктикой, прямо из Харькова. В их числе — образование плазменных облаков и волновых возмущений, их движения и взаимодействия с магнитным полем Земли.
Значит, это кому-нибудь нужно…
Возникает вопрос: что же при нынешнем неудовлетворительном финансировании науки обеспечило создание и выход на международный уровень украинской школы экспериментальных космических исследований?
— Во-первых, научные традиции и наши учителя-предшественники, создавшие в Украине первоклассные научные и производственные коллективы, работающие по космической тематике, — считает Юрий Ямпольский. — Во-вторых, удачное объединение в целостный комплекс научных и практических достижений в разных областях знаний: космическом аппаратостроении, научном приборостроении, космической радиофизике, физике плазмы, геофизике, теории электромагнитного поля, математическом и физическом моделировании. Более того, благодаря успешной реализации уже законченных разработок и детальному обоснованию перспективных проектов представленная работа стала также надежным фундаментом дальнейшего развития исследований геокосмоса в Украине. Это находит отражение в программах дальнейших космических экспериментов, запланированных при участии и под руководством украинских специалистов.
Весомое подтверждение высокого качества и востребованности этой продукции — большой спрос на нее на мировом рынке. В частности, разнообразные магнитометрические датчики и системы геофизического назначения экспортируются в более чем двадцать стран мира. Только за последние четыре года таких устройств было экспортировано на сумму около 6 млн гривень.
Эти разработки востребованы и в Украине. Приборы уже внедрены в Украинском государственном геологоразведочном институте для оборудования пунктов режимных наблюдений и геофизической разведки полезных ископаемых; в НПО «Потенциал» — в системах управления бурением под наклоном; в ГП «Укроргтехдиагностика» — в системах поиска мест коррозии магистральных нефте- и газопроводов; в ГП «Геофизика» — на геофизической станции для поиска залежей нефти и газа, а также в Национальном антарктическом научном центре МОН Украины.
Прогноз погоды для того или иного региона Земли (температура и влажность воздуха, атмосферное давление, скорость ветра, осадки) стал для нас обычным явлением. Специалисты утверждают, что в скором будущем нас станет так же живо интересовать состояние геокосмоса, то есть точный и оперативный прогноз погоды космической. Да, пока мы боимся отключения тепла и электричества, но еще не очень волнуемся, когда отключаются мобильная связь или Интернет. Однако исследователи уверены, что геокосмос, имеющий непосредственное отношение к работе информационных систем, в будущем станет играть все более важную роль в жизни цивилизации.
Телевизор как предвестник землетрясений?
На протяжении почти двух десятков лет индийские исследователи из университета, расположенного в городе Гаухати, наблюдали на экранах своих телевизоров появление аномальных сигналов в УКВ-диапазоне. На экранах телевизоров появлялось изображение телепрограмм других стран и даже континентов!
Было замечено, что такие «телечудеса» проявлялись перед землетрясениями в Азиатском регионе. Например, аномальный сигнал появился на телевизионных экранах жителей Гаухати 20 июня 1983 года. 23-го качество изображения стало очень хорошим, а 24 июня 1983 года произошло землетрясение в Юго-Восточной Азии. Качество приема существенно ухудшилось после землетрясения, и вскоре аномальный сигнал исчез совсем. Подобные явления неоднократно наблюдались в конце 80-х и в 90-х годах прошлого века и также были связаны с землетрясениями.
Индийские и российские исследователи попытались объяснить природу загадочного явления. В течение двух лет они проводили мониторинг телевизионных сигналов УКВ в частотном диапазоне 50—70 МГц и их связи с ионосферной обстановкой, благоприятной для аномального распространения волн УКВ на загоризонтные (свыше 1000 км) расстояния. По мнению ученых, телевизионные аномалии появляются в результате того, что в периоды, предшествующие землетрясениям, складываются необычные вариации параметров ионосферы и тропосферы. При этом радиосвязь приобретает неустойчивый характер, зато при приеме рассеянных за счет отражения от ионосферы сигналов УКВ-диапазона, напротив, отмечаются хорошие результаты на расстояниях 1000—25000 километров.
