Прогноз погоды для того или иного региона Земли стал для нас обычным явлением. Специалисты утверждают, что в скором времени нас будет также живо интересовать состояние геокосмоса, то есть точный и оперативный прогноз погоды космической. Геокосмос — это область пространства, которая простирается примерно от 100 километров над поверхностью Земли вплоть до орбиты Луны.
Сегодня в геокосмосе работают десятки космических систем и сотни спутников, которые обеспечивают потребности цивилизации глобальной связью, телерадиовещанием, навигацией, визуализацией и прогнозом погоды, предупреждением цунами, безопасностью судовождения, диагностикой Мирового океана и земной поверхности, разведкой полезных ископаемых, экологическим мониторингом и так далее. Проблема в том, что этим устройствам приходится работать, испытывая на себе все превратности космической погоды, что приводит к потере ресурса бортовой спутниковой аппаратуры, ее надежности и долговечности. В геокосмосе бушуют мощные магнитные бури, формируются плазменные облака, текут гигантские токи, проносятся сгустки частиц солнечного ветра, время от времени вспыхивают электромагнитные излучения.
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. 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 входит более 20 украинских и международных космических проектов, которые выполняли специалисты Национального космического агентства Украины, Института космических исследований и его Львовского центра, Национального университета им. Тараса Шевченко, конструкторского бюро «Южное» им. М.Янгеля и Радиоастрономического института НАН Украины.
Благодаря работающим в геокосмосе аппаратам человечество получает сейчас до 90% всего потребляемого потока информации. К тому же «аппетит», что называется, приходит во время еды — потребители и разработчики непрерывно повышают эксплуатационные и точностные требования к новым спутниковым системам. Это хорошо демонстрируется 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.
Между тем капризы геокосмоса являются сейчас 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 больше, чем мощность типичной электростанции. Особо сильные явления подобного характера могут нарушать работу спутников и даже вызывать каскадные отключения электричества на Земле, как это было, например, в США и Канаде во время мощных магнитных бурь в августе 1972–го и в марте 1989 года.
Еще одним важнейшим стимулом для изучения плазменной оболочки Земли является 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 самих землетрясений и их можно трактовать в качестве предвестников.
В исследованиях околоземного космического пространства и в космическом научном приборостроении Украина играет заметную роль в мире. Накопленный опыт, который включает теоретические и экспериментальные исследования, а также проектно-конструкторские разработки бортовых систем, позволил украинским ученым и инженерам 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 новые наземные методы дистанционного мониторинга ионосферы и магнитосферы, которые признаны в мире и сейчас используются в разных странах.
* * *
В числе наиболее значимых международных космических миссий, в которых приняли участие украинские ученые, на первом месте по своей продуктивности находится 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–го по 2000 год, в два раза превысив проектный ресурс работы.
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 окликается на бомбардировку частицами солнечного ветра. Миссия была настолько информативна, что многие ее результаты используются до сих пор 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. Не имеет мировых аналогов планируемый украинский проект «Ионосат», который занимает 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 позволит решить ряд принципиально новых научных задач. В том числе исследовать пространственно-временную изменчивость газоплазменных и полевых характеристик ионосферы в зависимости от солнечной активности. Осуществлять поиск ионосферного отклика на катастрофические явления у поверхности Земли и создать базу данных для обнаружения ионосферных предвестников землетрясений. А также визуализовать образ космической погоды на ионосферных высотах и проверить современные модели геокосмоса. Запуск космической миссии «Ионосат» запланирован на годы максимума солнечной активности (2012—2014 гг.) — в таком случае ученые получат максимум информации о состоянии геокосмоса.
* * *
— Юрий Моисеевич, а зачем исследовать геокосмос с поверхности Земли, если это можно делать непосредственно в самом геокосмосе?
— спрашиваю одного из соавторов цикла работ, доктора физико-математических наук, профессора, заведующего отделом Радиоастрономического института НАН Украины
Ю. ЯМПОЛЬСКОГО.
— Действительно, многие ученые на заре космической эры, находясь под впечатлением первых успешных орбитальных миссий, считали, что геокосмос незачем изучать с Земли, поскольку все обеспечат спутниковые исследования. Оказалось, что это не так. И дело не только в проблеме влияния самого спутника на измерения или невозможности запустить на разные орбиты достаточное 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 позволяет существенно расширить наши знания об околоземном пространстве и разработать более совершенные физические модели происходящих в нем процессов.
— Для этого нужно посылать в геокосмос специальные радиосигналы?
— В том числе. В качестве примера можно привести уникальный эксперимент по дистанционному исследованию далекой от Земли магнитосферы с помощью радиоволн, который был проведен нами совместно с российскими и американскими коллегами. В качестве излучателя был использован расположенный вблизи Нижнего Новгорода мощнейший российский передатчик «Сура», радиосигнал от которого достигал 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 этих двух уникальных инструментов впервые была проведена локация магнитосферной турбулентности, которая порождалась взаимодействием магнитного поля Земли с потоками солнечного ветра. Расшифрованные результаты таких 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.
— Сейчас тоже проводятся такие эксперименты?
— Такие сложные и дорогие эксперименты не могут проводиться в режиме мониторинга, они носят специальный эпизодический характер. Мы предложили новую экологически чистую технологию наземной радиодиагностики геокосмоса, которая не требует создания специальных радиопередатчиков и не засоряет электромагнитный климат Земли. В качестве пробных сигналов здесь 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 пяти тысяч — и специальные приемные системы, ученые Радиоастрономического института НАНУ 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. Создано уже три поколения экспериментальных установок для такого зондирования ионосферы, которые работают не только на территории Украины, но также в США и на украинской станции «Академик Вернадский» в Антарктиде.
Как продолжение этих разработок создан более современный автономный диагностический комплекс на базе цифровых компьютерных приемников с управлением через Интернет. В 2007 году он был размещен на острове Шпицберген, позволяя ученым в Харькове в непрерывном режиме наблюдать процессы, происходящие в ионосфере над Арктикой, — образование плазменных облаков и волновых возмущений, их движения и взаимодействия с магнитным полем Земли. Долгосрочные испытания систем приема и обработки сигналов этих установок в антарктических и арктических условиях показали высокую надежность и эффективность такого метода диагностики ионосферы.
— Что 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. 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.
Весомым подтверждением высокого качества и востребованности этой продукции является большой спрос на нее на мировом рынке. В частности, разнообразные магнитометрические датчики и системы геофизического назначения экспортируются в более чем двадцать стран мира.
… Люди еще не доросли до того, чтобы переживать о катаклизмах в геокосмосе так же, как о катаклизмах на Земле, — мы боимся отключения тепла и электричества, но еще не очень волнуемся, когда отключается мобильная связь или Интернет. Однако специалисты уверены, что геокосмос, имеющий непосредственное отношение к работе информационных систем, будет играть все более важную роль в жизни цивилизации. Наращивание темпов освоения геокосмоса, повышение эффективности, надежности и точности работы спутниковых систем с каждым днем требует все более подробного изучения и прогнозирования свойств плазменной среды их «обитания».