Прогноз погоди для того чи іншого регіону Землі став для нас звичним явищем. Фахівці стверджують, що незабаром нас так само жваво цікавитиме стан геокосмосу, тобто точний і оперативний прогноз погоди космічної. Геокосмос — це ділянка простору, яка тягнеться приблизно від 100 кілометрів над поверхнею Землі аж до орбіти Місяця.
Сьогодні в геокосмосі працюють десятки космічних систем і сотні супутників, які забезпечують потреби цивілізації глобальним зв’язком, телерадіомовленням, навігацією, візуалізацією і прогнозом погоди, попередженням цунамі, безпекою судноводіння, діагностикою Світового океану і земної поверхні, розвідкою корисних копалини, екологічним моніторингом тощо. Проблема в тім, що цим пристроям доводиться працювати, відчуваючи на собі всі мінливості космічної погоди, що призводить до втрати ресурсу бортової супутникової апаратури, її надійності і довговічності. У геокосмосі вирують потужні магнітні бурі, формуються плазмові хмари, течуть гігантські струми, проносяться згустки частинок сонячного вітру, час від часу спалахують електромагнітні випромінювання.
Розробка концепції космічної погоди, яка мала в перспективі забезпечити прогноз стану геокосмосу в реальному часі, проголошена міжнародною спільнотою як одна з найважливіших світових наукових проблем ХХI століття. Без систематичних досліджень навколоземного простору з допомогою спеціальної апаратури, встановленої як на супутниках, так і на поверхні Землі, неможливий подальший розвиток самої космічної галузі.
Цикл дослідницьких і конструкторських робіт «Космічні системи, прилади та методи діагностики електромагнітних полів у геокосмосі» висунуто на здобуття Державної премії в галузі науки і техніки 2008 року. До нього входить понад 20 українських і міжнародних космічних проектів, які виконували фахівці Національного космічного агентства України, Інституту космічних досліджень і його Львівського центру, Національного університету ім. Тараса Шевченка, конструкторського бюро «Південне» ім. М.Янгеля і Радіоастрономічного інституту НАН України.
Завдяки працюючим у геокосмосі апаратам людство отримує нині до 90% всього споживаного потоку інформації. До того ж «апетит», що називається, приходить під час їжі — споживачі й розробники безперервно підвищують експлуатаційні й точнісні вимоги до нових супутникових систем. Це добре демонструється на прикладі систем глобального позиціонування та навігації. Завдяки новим супутниковим технологіям навігаційна похибка за останні 20 років знизилася приблизно в тисячу разів — з кілометрів до метрів.
Тим часом примхи геокосмосу є сьогодні серйозною перешкодою для безперебійного функціонування і подальшого вдосконалення багатьох життєво важливих систем, що обслуговують нашу цивілізацію. Наприклад, під час геомагнітних бур на орбіті Землі виникають струми силою в мільйони ампер із сумарною потужністю в десятки разів більше, аніж потужність типової електростанції. Особливо сильні явища такого характеру можуть порушувати роботу супутників і навіть викликати каскадні відключення електрики на Землі, як це було, наприклад, у США і Канаді під час могутніх магнітних бур у серпні 1972 і в березні 1989 років.
Ще одним важливим стимулом для вивчення плазмової оболонки Землі є її висока чутливість до процесів енерговиділення, які йдуть від низу до верху, — від поверхні нашої планети на висоти геокосмосу. Іоносфера відіграє роль чутливого камертона, що реагує на найрізноманітніші катастрофічні явища — циклони, урагани, тайфуни, цунамі, землетруси, виверження вулканів, лісові пожежі та грози. Причому у випадку із землетрусами аномальні процеси в іоносфері відбуваються задовго до самих землетрусів, і їх можна трактувати як передвісників.
У дослідженнях навколоземного космічного простору і в космічному науковому приладобудуванні Україна посідає помітне місце у світі. Накопичений досвід, який включає теоретичні й експериментальні дослідження, а також проектно-конструкторські розробки бортових систем, дозволив українським ученим і інженерам створити кілька поколінь супутникових датчиків електричного потенціалу, магнітного поля і щільності просторового струму, із допомогою яких отримано піонерські наукові дані. До вагомих досягнень українських фахівців слід додати нові наземні методи дистанційного моніторингу іоносфери та магнітосфери, які визнані в світі і нині застосовуються в різних країнах.
* * *
Серед найбільш значущих міжнародних космічних місій, в яких взяли участь українські вчені, на першому місці за своєю продуктивністю перебуває супутниковий проект «Інтербол». Апарат було запущено для дослідження залишків атмосфери і властивостей магнітного поля на великих віддалях — десятки тисяч кілометрів — від поверхні Землі. Він трудився в космосі з 1995 по 2000 рік, удвічі перевищивши проект-
ний ресурс роботи.
До комплексу наукових приладів, розміщених в «Інтерболі», входили створені в Україні інструменти для вимірювання постійних і змінних магнітних полів. Завдяки їм було вивчено основні структурні складові магнітосфери — фронт ударної хвилі, магнітні хмари, плазмові ущільнення та межові шари між ними. Аналіз набутих даних і фізичне моделювання дозволили багато в чому розширити уявлення про геокосмос у цілому й уточнити, як саме він відгукується на бомбардування частинками сонячного вітру. Місія була настільки інформативною, що багато її результатів використовуються досі для формування образу космічної погоди.
Оригінальні інженерні рішення були реалізовані і в інших проектах. Наприклад, у рамках міжнародного експерименту «Варіант» на супутнику «Січ-1м» було встановлено новий хвилевий зонд, який не має аналогів у світовій практиці. Не має світових аналогів планований український проект «Іоносат», який посідає одне з провідних місць у новій Національній космічній програмі України на 2008—2012 роки. На близькі орбіти передбачається запустити незвичайне космічне угруповання з трьох
мікросупутників, які в процесі еволюції орбіт віддалятимуться одне від одного на відстані від десятків до двох тисяч кілометрів.
Така просторова конфігурація й оригінальна приладова комплектація дозволить вирішити низку принципово нових наукових завдань. Зокрема дослідити просторово-часову мінливість газоплазмових і польових характеристик іоносфери залежно від сонячної активності. Здійснювати пошук іоносферного відгуку на катастрофічні явища біля поверхні Землі і створити базу даних для виявлення іоносферних передвісників землетрусів. А також візуалізувати образ космічної погоди на іоносферних висотах і перевірити сучасні моделі геокосмосу. Запуск космічної місії «Іоносат» заплановано на роки максимуму сонячної активності (2012—2014 рр.) — у такому разі вчені отримають максимум інформації про стан геокосмосу.
* * *
— Юрію Мойсейовичу, а навіщо досліджувати геокосмос із поверхні Землі, якщо це можна робити безпосередньо в самому геокосмосі?
— питаю одного зі співавторів циклу робіт, доктора фізико-математичних наук, професора, завідувача відділу Радіоастрономічного інституту НАН України Ю.ЯМПОЛЬСЬКОГО.
— Справді, багато вчених на зорі космічної ери, перебуваючи під враженням перших успішних орбітальних місій, вважали, що геокосмос нічого вивчати із Землі, оскільки все забезпечать супутникові дослідження. Виявилося, що це не так. І річ не тільки в проблемі впливу самого супутника на вимірювання чи неможливості запустити на різні орбіти достатню кількість апаратів. Продуктивність супутникових місій значною мірою залежить від можливості зіставлення бортових даних із одночасними реєстраціями плазмових характеристик геокосмосу методами дистанційного зондування. Тільки такий спільний аналіз дозволяє істотно розширити наші знання про навколоземний простір і розробити досконаліші фізичні моделі процесів, що відбуваються в ньому.
— Для цього потрібно посилати в геокосмос спеціальні радіосигнали?
— Зокрема. Як приклад можна навести унікальний експеримент із дистанційного дослідження далекої від Землі магнітосфери з допомогою радіохвиль, який був проведений нами спільно з російськими та американськими колегами. Як випромінювач було використано розташований поблизу Нижнього Новгорода найпотужніший російський передавач «Сура», радіосигнал від якого досягав десяти тисяч кілометрів, що приблизно вдесятеро більше від граничного діапазону.
Частина посланого сигналу розсіювалася на збуреннях космічної плазми, і цю надслабку «луну» приймали чутливі антени найбільшого у світі радіотелескопу УТР-2, розташованого під Харковом.
Завдяки об’єднанню цих двох унікальних інструментів уперше було проведено локацію магнітосферичної турбулентності, яка породжувалася взаємодією магнітного поля Землі з потоками «сонячного вітру». Розшифровані результати таких експериментів звіряли з синхронними супутниковими вимірюваннями стану сонячної та магнітної активності. Цей унікальний міжнародний експеримент показав принципову можливість радарної діагностики далеких ділянок магнітосфери з поверхні Землі й увійшов до числа класичних вимірювань характеристик геокосмосу.
— Нині теж проводяться такі експерименти?
— Такі складні і дорогі експерименти не можуть проводитися в режимі моніторингу, вони мають спеціальний епізодичний характер. Ми запропонували нову екологічно чисту технологію наземної радіодіагностики геокосмосу, яка не потребує створення спеціальних радіопередавачів і не засмічує електромагнітний клімат Землі. Як пробні сигнали тут використовують уже існуючі види електромагнітного випромінювання як природного, так і рукотворного. Це електромагнітні поля, породжені грозовою активністю, радіовипромінювання Сонця, квазарів і радіогалактик, геомагнітні пульсації, а також випромінювання численних наземних і супутникових радіопередавачів. Вони пронизують різні ділянки геокосмосу і, повертаючись у вигляді луни до земного спостерігача, приносять інформацію про навколоземну плазму.
Зокрема, використовуючи широкомовні короткохвильові передавачі — у світі їх налічується понад п’ять тисяч — і спеціальні приймальні системи, учені Радіоастрономічного інституту НАНУ розробили когерентний радіолокатор, який дає змогу контролювати динамічні процеси в іоносфері на відстані до 1000 км від приймальної позиції. З його допомогою можна всебічно досліджувати природні та штучні процеси утворення плазмової турбулентності. Створено вже три покоління експериментальних установок для такого зондування іоносфери, які працюють не тільки на території України, а й також у США і на українській станції «Академік Вернадський» в Антарктиді.
Як продовження цих розробок створено найсучасніший автономний діагностичний комплекс на базі цифрових комп’ютерних приймачів із управлінням через Інтернет. 2007 року його було розміщено на острові Шпіцберген, що дало змогу вченим у Харкові в безперервному режимі спостерігати процеси, які відбуваються в іоносфері над Арктикою, — утворення плазмових хмар і хвилевих збурень, їхній рух і взаємодію з магнітним полем Землі. Довгострокові випробування систем приймання й обробки сигналів цих установок в антарктичних і арктичних умовах показали високу надійність і ефективність такого методу діагностики іоносфери.
— Що забезпечило створення і вихід на міжнародний рівень української школи експериментальних космічних досліджень?
— По-перше, наукові традиції і наші вчителі-попередники, котрі створили в Україні першокласні наукові та виробничі колективи, які працюють з космічної тематики. По-друге, вдале об’єднання в цілісний комплекс наукових і практичних досягнень у різних галузях знань — космічному апаратобудуванні, науковому приладобудуванні, космічній радіофізиці, фізиці плазми, геофізиці, теорії електромагнітного поля, математичному і фізичному моделюванні.
Вагомим підтвердженням високої якості і затребуваності цієї продукції є великий попит на неї на світовому ринку. Зокрема різні магнітометричні датчики і системи геофізичного призначення експортуються в більш як двадцять країн світу.
...Люди ще не доросли до того, щоб перейматися катаклізмами в геокосмосі так само, як катаклізмами на Землі, — ми боїмося відключення тепла й електрики, але ще не дуже хвилюємося, коли відключається мобільний зв’язок чи Інтернет. Однак фахівці упевнені, що геокосмос, який має безпосередній стосунок до роботи інформаційних систем, відіграватиме дедалі важливішу роль у житті цивілізації. Нарощування темпів освоєння геокосмосу, підвищення ефективності, надійності й точності роботи супутникових систем із кожним днем вимагає дедалі докладнішого вивчення і прогнозування властивостей плазмового місця їхнього «існування».