: 22 июл 2011 , Сокровища суть не деньги, а добрые дела , том 39, №3

Прогноз «космической погоды»

Предположение о существовании в верхней атмосфере Земли электропроводящего слоя (впоследствии названного ионосферой) было выдвинуто сразу несколькими учеными еще в конце XIX в. Гипотеза позволяла объяснить наблюдаемые регулярные вариации магнитного поля Земли, но была встречена научным сообществом довольно скептически.

Лишь эпоха радио позволила окончательно определиться в этом вопросе. Оказалось, что только существованием над земной поверхностью слоя ионизированного газа (плазмы), отражающего радиоволны, можно объяснить эффект сверхдальнего распространения электромагнитных волн декаметрового диапазона («коротких» радиоволн). Это исключительно важное для практики свойство ионосферы, благодаря которому появилась возможность передавать радиосигналы на очень большие расстояния, побудило исследователей многих стран начать интенсивное экспериментальное и теоретическое изучение структуры ионосферы и процессов, в ней происходящих.

На основе накопленного знания об ионосфере в последние десятилетия сформировалось новое научное направление – солнечно-земная физика, занимающаяся в том числе и процессами трансформации разнообразных форм солнечной радиации при взаимодействии с веществом и полями в околоземном пространстве.

Пограничный мир 

Физика земной ионосферы очень сложна. Это открытая система: потоки энергии и вещества поступают в неe и сверху – от Солнца и солнечного ветра, и снизу – из плотной и турбулентной нижней атмосферы.

В ионосфере дуют горизонтальные ветры и гуляют гигантские волны, генерируются электрические поля и протекают сложные химические реакции. Предсказать поведение ионосферы порой не проще, чем сделать верный метеопрогноз. Недаром в международном научном сообществе для описания всего комплекса явлений в верхней атмосфере Земли бытует термин «космическая погода».

А прогнозировать, и точно прогнозировать, поведение ионосферной плазмы просто необходимо! Ведь от ее состояния зависит качество радиосвязи, динамика полета низкоорбитальных космических аппаратов, точность и надежность работы навигационных спутниковых систем, функционирование наземной энергетической инфраструктуры (особенно в высоких широтах).

Феномен отражения электромагнитных волн от проводящей среды был использован для изучения ионосферы методами радиолокации. Полное отражение происходит, когда частота волны совпадает с собственной плазменной частотой ионизированной среды, которая однозначно определяется объeмной концентрацией свободных электронов.

Первоначально для исследования ионосферы использовали установки вертикального зондирования, принцип действия которых основан на измерении времени распространения коротковолновых сигналов до отражающего их слоя ионосферы и обратно. По ионограмме – графику зависимости задержки возвращающегося сигнала от частоты зондирования – определяли весьма ограниченный набор параметров, в частности высотное распределение электронной концентрации.

В средних широтах эта величина редко превышает 10¹³ м^-3, поэтому шанс отразиться при вертикальном зондировании имеют только радиоволны с частотой не выше 20 МГц (т. е. длиной от 15 м и более). Но поскольку такие волны не проникают выше главного максимума ионизации (около 300 км) по причине их полного отражения от нижележащего слоя, этим методом невозможно исследовать верхние слои ионосферы. 

Посланцы высших сфер

Стимулом к изобретению и развитию нового метода удалeнного исследования ионосферной плазмы стало бурное развитие в военное и послевоенное время радиоэлектроники и, особенно, радиолокационной техники.

Весной 1958 г. профессор Корнельского университета (США) У. Гордон на рабочем семинаре поделился с молодыми сотрудниками своими соображениями. Дело в том, что для радиоволн с частотами выше критической частоты ионосферной плазмы среда практически прозрачна, поэтому львиная доля энергии уходит в космос. На землю возвращаются лишь очень слабые сигналы, рассеянные в обратном направлении, но зато эти информационные сигналы поступают от всех ионосферных высот, в том числе и находящихся выше главного пика ионизации, и могут быть зафиксированы. 

Согласно расчетам Гордона, наиболее мощные из существовавших на то время радаров были способны уловить слабые сигналы рассеяния электромагнитных волн на тепловых флуктуациях электронной концентрации. Это предложение открывало для изучения всю толщу ионосферы, и неудивительно, что ученые откликнулись на него с энтузиазмом.

Уже через полгода молодой американский физик К. Боулс на большом 41-мегагерцовом радаре в Иллинойсе получил первые спектры сигналов так называемого некогерентного рассеяния (НР). Вот только форма этих спектров оказалась для исследователей сюрпризом. Гордон рассчитывал, что рассеяние будет происходить на свободных электронах ионосферной плазмы и, следовательно, спектр рассеянного сигнала должен соответствовать максвелловскому распределению электронов по тепловым скоростям. Однако ширина спектров, полученных в эксперименте, соответствовала скорее тепловым скоростям ионов, а не электронов, и все спектры имели специфическую двугорбую форму, слабо напоминая распределение Максвелла.

Как бы то ни было, наука получила в руки мощный исследовательский инструмент, незаменимый в начале интенсивного освоения ближнего космоса. А в физике ионосферы и верхней атмосферы началась новая эпоха – эпоха радаров некогерентного рассеяния.

Создание экспериментальной и теоретической базы нового метода осуществлялось одновременно. В 1960-е гг. один за другим были построены радары НР в Центральной, Южной и Северной Америке, а также в Европе. Более совершенный вид начала принимать и сама теория некогерентного рассеяния: параметры спектра НР были увязаны со свойствами плазмы – химическим составом, температурой ионов и электронов, скоростью дрейфа и др.

В настоящее время диагностика ионосферы основана на радиолокационном уравнении, связывающем усредненный спектр принимаемого сигнала со спектром тепловых флуктуаций ионосферной плазмы.

Мощные и чувствительные

Радары НР значительно отличаются от традиционных радиолокационных станций по многим характеристикам.

Обычный радар имеет дело с отраженными сигналами, которые являются довольно точными копиями излученных. Его главная задача – измерить задержку распространения сигнала и по ней определить расстояние до цели. Радар НР исследует рассредоточенный объект – тепловые флуктуации плазмы со случайными фазами. Рассеянный на этом объекте сигнал совсем не похож на сигнал излученный, к тому же уровень его мощности предельно мал. Весь огромный объем плазмы (порядка 10⁴ км³), который мгновенно, миллисекундным импульсом, «засвечивается» в облучаемом радаром секторе пространства, по отражающей способности эквивалентен рублевой монете. Поэтому для сигнала радара НР так важен энергетический потенциал – эти установки излучают мегаватты, а принимают пиковатты. 

Все радары НР характеризуются большой поверхностью антенны и предельно высокой чувствительностью приемника. Самый большой радар, расположенный в г. Аресибо (Пуэрто-Рико), имеет антенну диаметром 300 м, а основанием его служит чаша потухшего вулкана!

Радары некогерентного рассеяния сегодня являются идеальными инструментами для исследования переноса энергии и вещества по вертикали в системе «атмосфера–ионосфера–магнитосфера» и горизонтального перераспределения энергии по планете. В настоящее время в мире насчитывается 11 таких установок, каждая из которых уникальна по своей конструкции и методикам обработки сигналов. Результаты наблюдений всемирной радарной сети собираются и обобщаются в международных базах данных (например, «Madrigal», которая поддерживается американской обсерваторией Хайстэк).

В мировом сообществе разрабатывается глобальный проект, предусматривающий создание меридионального кольца радаров НР вокруг всего земного шара. Для этой цели планируется дополнить уже имеющуюся сеть аналогичными установками в Юго-Восточной Азии, Латинской Америке, и даже в Антарктиде. Такое расположение радаров даст возможность проводить одновременные круглосуточные наблюдения по всему земному шару, решая глобальные научные проблемы.

В нашей стране первый радар НР был создан в 1970-х гг. коллективом ученых Харьковского политехнического института под руководством профессора В. И. Тарана (сейчас эта установка является экспериментальной базой Института ионосферы АН и Минобразования Украины).

Усмиренный «Днепр»

Начало ионосферных исследований в Сибири с помощью метода некогерентного рассеивания датируется 1980-ми гг. По инициативе тогдашнего директора иркутского Института солнечно-земной физики д. ф.-м. н. Г. А. Жеребцова для этой цели было использовано оборудование военных радиолокационных станций «Днепр», входящих в систему предупреждения о ракетном нападении. Именно там были получены первые спектры сигналов некогерентного рассеяния, проведены наблюдения во время солнечного затмения. Использование военной техники позволило специалистам института приобрести необходимый опыт в обслуживании сложного оборудования и обработке получаемой информации.

Однако исследователям требовался свой собственный, «мирный» радар. Поэтому когда в 1993 г. одна из станций была выведена из состава вооруженных сил, она была переоборудована под исследовательские цели. Это была неимоверно трудная задача в годы, когда любая попытка создания крупной экспериментальной установки казалась почти авантюрой. Но дожидаться лучших времен не приходилось, иначе станция была бы просто «сдана в утиль».

Группу «авантюристов» из молодых физиков и радио­инженеров возглавил к. ф.-м. н. А. П. Потехин (ныне чл.-кор. РАН и директор ИСЗФ СО РАН). Видя энтузиазм ученых и понимая всю сложность стоящих перед ними проблем, на помощь пришли многие, начиная от председателя СО РАН академика В. А. Коптюга, командующего войсками ракетно-космической обороны генерал-полковника В. М. Смирнова и главного кон­структора станции «Днепр» В. Е. Ордановича. А отставные офицеры, многие годы служившие на «Днепре», взялись восстанавливать и обслуживать радиоэлектронное и технологическое оборудование станции.

И радар НР состоялся! В дальнейшем известные специалисты отмечали, что передача радиолокационной станции на баланс ИСЗФ явилась единственным на постсоветском пространстве примером эффективной конверсии сложной и дорогостоящей военной тех­ники.

Прежде чем стать радаром некогерентного рассеяния, бывший страж космических рубежей страны претерпел несколько этапов глубокой модернизации. Изменения коснулись всего комплекса управляющих, приемных, регистрирующих устройств и средств обработки сигналов. Все эти системы были воссозданы на базе современной цифровой быстродействующей техники, которая позволила наиболее полно использовать потенциал радара и особенности конструкции его антенны в исследовательских целях.

Сегодня Иркутский радар НР (ИРНР) представляет собой многоцелевой исследовательский комплекс с очень широким кругом задач. Здесь проводятся регулярные продолжительные наблюдения состояния ионосферной плазмы с целью выявления закономерно­стей сезонных изменений, влияния уровня солнечной и геомагнитной активности, особых атмосферных событий (например, зимних стратосферных потеплений) и других факторов. Этот единственный в России радар НР является важной частью мировой радарной сети, замыкая кругосветную «цепочку» среднеширотных радаров США, Европы и Японии.

Космический мониторинг

Из-за фиксированной ориентации рупора антенны и благодаря наличию поляризационного фильтра иркутский радар может излучать и принимать только одну линейную поляризацию электромагнитного поля.

Однако этот «недостаток» позволяет получать ценную информацию благодаря эффекту Фарадея. Суть его состоит в том, что при прохождении радиоволны сквозь ионосферную плазму происходит вращение плоскости еe поляризации вокруг луча распространения волны, причем угол поворота пропорционален интегральной электронной плотности вдоль пути волны. В результате в высотном профиле мощности рассеянного сигнала появляются «замирания» на тех высотах, с которых приходит подавляемая поляризационным фильтром волна. На основе измерений фазы «замираний» на ИРНР получают абсолютные значения электронной концентрации, не прибегая к внешним средствам калибровки, как это вынуждены делать на других радарах НР.

Другой полезной особенностью иркутского радара является возможность мгновенного изменения направления излучения. Это очень важно, когда требуется исследовать пространственный градиент плазменных характеристик, в частности, высотно-временную структуру и особенности распространения волновых возмущений плотности в ионосфере.

Кроме того, бывшая радиолокационная станция «Днепр» и после трансформации в радар не утратила способность обнаруживать компактные объекты на высотах 15—6000 км. Отражeнные сигналы от спутников намного мощнее сигналов ионосферного рассеяния, поэтому при определении параметров плазмы один случайно попавший в луч радара спутник способен серьезно исказить данные о среде.

Поэтому на ИРНР каждая радиолокационная развертка автоматически исследуется на предмет наличия в ней отражений от сосредоточенных космических объектов. Если такой сигнал в развертке есть, она анализируется по другому алгоритму: измеряется амплитуда отраженного сигнала, угловые координаты и дальность до цели, еe лучевая скорость.

На сегодняшний день почти в 10 % получаемых радаром «снимков» отмечается влияние искусственных объектов, искажающее картину. Так что, изучая ионосферу, радар попутно исследует и распределение по орбитам действующих космических аппаратов и орбитального «мусора». А проблема загрязнения космоса сегодня стоит очень остро – число зарегистрированных фрагментов размером от 10 см на орбите исчисляется десятками тысяч! На низких (менее 1000 км) орбитах среднее расстояние между космическими объектами сократилось до 450 км.

Высокая концентрация обломков не только создает проблемы для исследования ионосферного сигнала, но и представляет угрозу для безопасности действующих спутников. Контроль над этой «орбитальной свалкой» можно обеспечить только с помощью достаточно плотной сети наблюдательных станций и при высокой точности измерений. И свою лепту в эту работу вносят радары НР.

Возможности радара позволяют решать и другие интересные исследовательские задачи. Например, изучение эффектов, возникающих в ионосфере при работе двигателей космического аппарата на орбитальном участке полета, которое с 2007 г. ИСЗФ проводил совместно с Ракетно-космической корпорацией «Энергия» им. С. П. Королева и Центральным научно-исследовательским институтом машиностроения (г. Королев). Этой цели была посвящена серия экспериментов «Плазма–Прогресс» по воздействию транспортных грузовых космических кораблей на околоземную плазму.

Интерес к этой теме обусловлен тем, что природная плазма подвержена влиянию большого числа почти не контролируемых факторов. Исследователей же всегда привлекала возможность свести неопределенность в эксперименте к минимуму. И сейчас у них появилась возможность наблюдать реакцию атмосферы на известное и строго дозированное воздействие.

После выполнения своей миссии на Международной космической станции транспортный космический корабль «Прогресс» обычно имеет на борту некоторый избыточный запас топлива. Это горючее и было использовано для «полевых» экспериментов в зоне наблюдения иркутского радара. Двигательные установки корабля не отличаются большой мощностью и способны сжигать не более 10 кг топлива в секунду. Исследователей интересовало, сможет ли радар обнаружить какие-либо изменения в ионосферной плазме от такого незначительного воздействия? Изменится ли как-то форма радиолокационного сигнала от самого корабля во время работы двигателей?

На орбитальном участке полета «Прогресс» находится в секторе наблюдения радара всего лишь несколько десятков секунд. Поэтому эксперименты были спланированы очень тщательно: до долей секунды были согласованы между собой режимы работы радара и циклограммы включения двигателей.

К 2011 г. было проведено 44 сеанса наблюдения «Прогресса». Прежде всего был установлен устойчивый эффект локального 10—20-минутного понижения электронной концентрации на 10—15 % на высоте пролета корабля. Этот эффект наиболее ярко проявлялся при выбросе реактивной струи в направлении радара. Значит, с уверенностью можно сказать, что работу двигателей радар замечает. Значительные изменения происходили и в «радиооблике» самого космического корабля.

Математическое моделирование показало, что наблюдаемые эффекты можно объяснить интерференцией сигналов от двух целей, как будто вблизи корабля появился дополнительный отражающий объект. Причем эффективная площадь отражения этого образования составляет не меньше 10 % от площади отражения самого корабля. Но что это за объект – сгусток плазмы или просто облако кристалликов льда из продуктов сгорания? Это еще предстоит выяснить.

Итак, большая часть имеющейся в настоящее время информации об ионосфере основана на многолетних наблюдениях радаров некогерентного рассеяния, с помощью которых можно исследовать околоземную плазму в диапазоне высот 100—1000 км.

Однако в формировании структуры и ионного состава плазмы, а также в перераспределении энергии внутри газовой оболочки Земли ключевую роль играют физико-химические процессы, идущие в нижней, слабоионизированной части ионосферы и в нейтральной атмосфере. Осознание этого факта в конце прошлого века стимулировало развитие новых методов радиофизической диагностики атмосферы. В результате в нескольких странах были созданы так называемые мезосферно-стратосферно-тропосферные радары, способные исследовать динамику «ближних сфер», т. е. ниже 100 км.

Целый круг интересных задач породили исследования влияния солнечной активности на атмосферные процессы. Разрабатывается новая концепция «космической погоды», которая будет охватывать все аспекты взаимодействия электромагнитного излучения Солнца и корпускулярного потока солнечного ветра с атмосферой Земли. В правительстве России в настоящее время рассматривается проект национального гелио-геофизического комплекса, в рамках которого планируется постройка современного радара НР с возможностью исследования мезосферно-стратосферно-тропосферных высот.

В перспективе мирового сотрудничества также рассматривается возможность создания радара НР в заполярном регионе России. Такой радар, размещенный, например, в Норильске, позволит замкнуть глобальную меридиональную цепь этих столь востребованных исследовательских инструментов. Участие ученых России в подобных крупных международных проектах не только престижно, но и необходимо для дальнейшего развития отечественных исследований околоземного космического пространства и решения важных практических задач в интересах экономики страны.

Литература

Жеребцов Г. А. и др. Иркутский радар некогерентного рассеяния // Радиотехника и электроника, 2002. Т. 47. № 11. С. 1339—1345.

Казимировский Э. С. Волшебное зеркало планеты. Иркутск: Восточно-Сибирское книжное изд-во, 1978. 211 с.

Казимировский Э. С. Планета в космической плазме. Л.: Гидрометеоиздат, 1990. 184 с.

Медведев А. В. и др. Метод исследования пространственно-временной структуры волновых возмущений в ионосфере // Геомагнетизм и аэрономия, 2009. Т. 49. № 6. С. 812—823.

Потехин А. П. и др. Развитие диагностических возможностей Иркутского радара некогерентного рассеяния // Космические исследования. 2008. Т. 46. № 4. С. 356—362.

Работа выполнена при поддержке Министерства образования и науки Российской Федерации (госконтракт 14.740.11.0078)

В публикации использованы фото В. Короткоручко (Иркутск)

: 22 июл 2011 , Сокровища суть не деньги, а добрые дела , том 39, №3