Градусник
космической погоды
07
августа 2022
Прогноз «космической погоды» в XXI веке
перестал быть экзотикой. По крайней мере автор этих
строк хорошо помнит, что еще несколько лет назад в интервью на эту тему видные
ученые предпочитали говорить, что вопрос еще требует тщательного исследования.
А что сейчас?
Выражение «Что нам сегодня приготовила
космическая погода?» стало встречаться в нашем лексиконе с тех пор, как плохое
самочувствие стали связывать с геомагнитными бурями и солнечной активностью.
Впрочем, степень влияния этих явлений на здоровье человека еще остается
предметом дискуссий. Вместе с тем сложно отрицать, что перебои в электрических
сетях, сбои в работе нефте- и газопроводов,
возникающие в результате глобальной космической бури, негативно сказываются на
всех нас. Следить за космической погодой становится жизненно необходимым. И
ключевая роль в наблюдениях принадлежит ионосфере.
Еще сто лет назад было известно, что Землю
окружает не только воздушная атмосфера, но и оболочка, состоящая из смеси
нейтральных и ионизированных (заряженных) частиц – электронов и ионов.
Благодаря ей, в частности, стала возможна радиосвязь. Эта оболочка получила
название «ионосфера».
Ионосфера располагается на высоте примерно от
60?км до 2000?км и имеет сложное строение. Ее принято разделять на несколько
слоев, которые различаются по концентрации плазмы и особенностям ее поведения.
Ионосфера «чутко» реагирует на различные изменения геомагнитного поля, которое,
в свою очередь, меняется под действием солнечной активности. Поэтому границы
ионосферных слоев то поднимаются, то опускаются, и вся ионосфера как бы
«дышит».
Большинство электрических токов, возникающих
в результате повышенной солнечной и геомагнитной активности, замыкаются именно
в ионосфере. Поэтому ее можно назвать природной лабораторией для контроля
околоземного космического пространства. Если мы будем знать состояние
ионосферы, то есть основные параметры космической плазмы – концентрацию частиц,
их состав и температуру, параметры электромагнитных полей и волновых излучений
в разных ее областях, то сможем судить о том, что происходит вокруг Земли.
Однако «добраться» до ионосферы очень
непросто. Фактически это можно сделать только с борта искусственного спутника
Земли. Но если проводить измерения только на орбите, то получим данные лишь с
фиксированной высоты, а о том, что происходит выше и ниже нее, можно будет
только гадать. Необходимо создать прибор, способный зондировать ионосферу на
разных высотах и представлять результаты в виде высотного профиля, то есть,
проще говоря, графика, где отложена концентрация электронов в зависимости от
высоты. Такой прибор существует, и он называется «ионозонд».
Ионозонды:
с Земли в космос
Ионозонд излучает короткие радиоимпульсы в
широком диапазоне частот и потом регистрирует отраженные сигналы от ионосферы.
Отражение происходит в точке, в которой частота зондирующего радиоимпульса
оказывается в резонансе с колебаниями свободных электронов. Частота этих
колебаний зависит от концентрации электронов на данной высоте. Измеряя
длительность задержки между временем излучения импульса и моментом прихода
отраженного сигнала, можно определить высоту отражения, а по частоте
отраженного импульса – концентрацию электронов на этой высоте.
Первые ионозонды были наземными. Создателями технологии и первого ионозонда были
американские ученые Грегори Брайт и Энтони Тьюв (в 1925 году). Первые эксперименты зондирования
ионосферы с поверхности Земли они провели в 30-х годах XX века.
Сегодня на всей Земле существует глобальная
сеть ионозондов, данные которой обрабатывают соответствующие геофизические
службы. Так, в России в государственной наблюдательной сети, подведомственной
Росгидромету, сейчас действует сеть из 16 ионозондов. Существует подобная сеть
и в системе Российской академии наук.
Но наземные ионозонды стационарны и поэтому
предоставляют информацию не обо всей ионосфере. У России, например, нет
ионозондов, которые находились бы в Южном полушарии и в океанических
акваториях. Кроме того, их возможности ограничены: находясь на Земле, ионозонд
может получать информацию только о нижней части ионосферы, до высоты
250–400?км. Поэтому вполне естественно, что с началом космической эры ученые
захотели вынести эти приборы на орбиту.
Первым «Жаворонком» (именно так переводится с
французского название аппарата) стал канадско-американский
спутник Alouette. Он разрабатывался с 1958 года и был
запущен в сентябре 1962 году.
В СССР первый ионозонд был установлен на
спутнике «Космос-381» (1970 год), а потом на спутнике «Интеркосмос-19» (1979
год). «Интеркосмос-19» стал первой комплексной лабораторией не только в стране,
но и в мире. Помимо ионозонда, на нем были установлены приборы для измерения
параметров электромагнитных полей и частиц. Аппарат проработал больше трех лет
и дал очень много научной информации.
Далее в 1987 году был запущен спутник
«Космос-1809». Он был копией «Интеркосмоса-19», но с несколько измененным
составом приборов. «Космос-1809» должен был стать первым аппаратом новой
спутниковой группировки для систематического мониторинга ионосферы. Программа
наблюдений составлялась в интересах не только Академии наук, но и
Государственного комитета по гидрометеорологии и контролю природной среды (Госкомгидромет) СССР.
Необходимость следить за «космической
погодой» понимали уже тогда, но, к сожалению, основной инструмент спутника –
ионозонд – проработал не так долго, как хотелось бы. Остальные приборы успешно
функционировали шесть лет, и был получен богатый материал по локальным
параметрам ионосферной плазмы.
В 1990-е годы создать спутниковую группировку
для мониторинга ионосферы по ряду причин, в основном экономических, не удалось.
Правда, в 1998–1999 годах проводились научные эксперименты по исследованию
ионосферы с помощью ионосферной станции, установленной на модуле «Природа»
орбитального комплекса «Мир». Она тоже дала много научных результатов, в том
числе потому, что несколько отличалась от того, что делалось на спутниках.
Эксперимент по радиозондированию с орбитального
комплекса «Мир» относят к внутреннему зондированию ионосферы. Дело в том, что
орбита станции проходила на высотах в интервале от 330?км до 380?км и на многих
участках, особенно в низких широтах, была ниже высоты максимума концентрации
электронов. Орбиты же спутников пролегали выше.
Четыре
«Ионосферы» и один «Зонд»
Итак, в 1980–1990-х годах создать полноценную
систему мониторинга «космической погоды» в нашей стране не удалось. Но
необходимость в ней осталась и, более того, стала еще актуальнее. Последствия
капризов «космической погоды» могут быть непредсказуемы, в первую очередь, для
технической инфраструктуры и для космических аппаратов, от которых мы зависим
все больше. А в России, территория которой находится на высоких широтах, эти
явления могут быть особенно ощутимыми.
Космический проект «Ионозонд-2025» входит в
Федеральную космическую программу на 2016–2025 годы. Головные заказчики –
Федеральная служба России по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды и
Российская академия наук. Головные организации по комплексу научной аппаратуры
– Институт прикладной геофизики имени Е.К.Фёдорова
Росгидромета и Институт космических исследований РАН.
Проект призван решить и научные, и прикладные
задачи. Исследователи надеются получить новые знания о земной ионосфере, где
еще много нерешенных вопросов. Для практиков это первый шаг к созданию
спутниковой геофизической службы для непрерывного мониторинга околоземного
пространства.
Предполагается, что спутниковая группировка
«Ионозонд» будет состоять из четырех одинаковых аппаратов «Ионосфера-М»,
предназначенных для зондирования и мониторинга ионосферы. Систему дополнит
пятый спутник – «Зонд-М», призванный наблюдать за Солнцем.
Космические аппараты создает Корпорация
ВНИИЭМ. Научная аппаратура разрабатывается в российских
научно-исследовательских институтах.
Все четыре спутника выведут на круговые
орбиты высотой порядка 820?км. Орбиты будут солнечно-синхронными: при этом
измерения «привязаны» к определенным секторам местного времени. Намечено
задействовать две плоскости: спутники будут запускать попарно с последующим
разведением на 180° вдоль меридиана, что позволит в два раза увеличить
долготное разрешение проводимых измерений.
Солнечно-синхронная орбита представляет собой
окружность вокруг Земли с такими параметрами, что объект, находящийся на ней,
проходит над любой точкой земной поверхности в одно и то же местное время.
Таким образом, угол освещения земной поверхности будет приблизительно
одинаковым на всех проходах спутника. Такие постоянные условия освещения
подходят для аппаратов, наблюдающих земную поверхность, метеоспутников.
Первыми в космос должны выйти два аппарата
«Ионосфера-М» в 2023 году с космодрома Восточный. Через несколько лет
группировку планируется дополнить второй парой и спутником «Зонд-М».
На каждом космическом аппарате «Ионосфера-М»
первой пары установлено восемь научных приборов. На спутниках второй пары
расположится уже по десять приборов.
Основной научный прибор – ионозонд ЛАЭРТ. Он
«просветит» ионосферу, и по его данным будут строиться вертикальные профили
концентрации электронов. Другие приборы измерят потоки энергичных частиц, их
пространственные и энергетические распределения. Для измерения электромагнитных
полей и излучений предусматривается применять низкочастотный волновой комплекс
НВК2 и ионозонд ЛАЭРТ в режиме радиоспектрометра.
Данные проекта «Ионозонд» намечено
использовать вместе с информацией от наземных наблюдений. Можно будет проводить
и наземно-космические эксперименты, изучая отклик
ионосферы на воздействие «снизу» в виде ураганов, извержений вулканов, пылевых
бурь и землетрясений.
Увидеть, как выглядит «Ионосфера-М», можно на
выставке в ИКИ РАН. Макет аппарата в полную величину был создан по гранту Фонда
содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере и сегодня
стал одним из ключевых экспонатов для экскурсий, рассказывающих о космической
погоде в целом и методах ее изучения. Дни открытых дверей в ИКИ РАН проводятся
каждый год в апреле и октябре.
источник - https://www.roscosmos.ru/38060/