В свое время в нашей стране действовала эффективная сеть наземных инструментов - телескопов, радаров и лидаров - для исследования Солнца и околоземного пространства, позволявшая специалистам получать результаты мирового уровня. Однако с начала 1980-х годов ситуация стала меняться не в лучшую сторону: после распада СССР часть этого оборудования перешла в собственность стран СНГ, другая устарела из-за отсутствия средств на модернизацию. Между тем изучение с помощью такого инструментария процессов на поверхности светила, их влияния на межпланетную среду, магните- и ионосферу, верхнюю атмосферу, иными словами, изучения проблем солнечно-земной физики сегодня, как никогда, актуально.

"Околоземное космическое пространство - это уже не экзотика, оно сейчас непосредственно включено в сферу деятельности человека, - сказал в интервью корреспонденту газеты "Наука в Сибири" Галине Киселевой один из известных в нашей стране интерпретаторов космической погоды академик Гелий Жеребцов. - Сегодня в этой среде работает огромное количество летательных аппаратов, спутников, от которых зависит многое в нашей жизнедеятельности - телевидение, интернет, сотовая и радиосвязь, постоянно функционирует Международная космическая станция. Здесь активно используются фундаментальные знания для решения прикладных задач в интересах экономики, безопасности страны, проводятся самые разнообразные исследовательские работы". Поэтому, утверждает ученый, важно владеть полной информацией о процессах, протекающих на Солнце и в околоземном космосе, магнитосфере и ионосфере Земли. И для сбора таких данных нужны не только спутники, но и наземные инструменты и оборудование: солнечные оптические и радиотелескопы, радары и лидары.

С точки зрения Жеребцова, 26 лет (1984 - 2010 гг.) руководившего Институтом солнечно-земной физики СО РАН (г. Иркутск), эти задачи следует решать в рамках мегапроекта, получившего название "Национальный гелиогеофизический комплекс РАН". Работы по нему указанный институт ведет в кооперации с академией с 2007 г. - именно тогда программа была представлена в Правительство РФ по поручению Президента Владимира Путина. Она предусматрива-

ет создание в 2012 - 2017 гг. на базе сети обсерваторий иркутского учреждения крупных экспериментальных установок, ориентированных на решение актуальных фундаментальных и прикладных задач в интересах безопасности страны и развития новых, конкурентоспособных космических технологий, в том числе двойного назначения. Общий объем инвестиций за счет средств федерального бюджета составляет -10 млрд. руб. С вводом комплекса в строй наша страна сможет осуществить переход на новый перспективный уровень отечественных экспериментальных работ в области солнечно-земной физики. Проект получил поддержку всех заинтересованных министерств и ведомств РФ, но финансирование его из центра по ряду причин затягивается, хотя Сибирское отделение РАН уже выделило средства на научно-исследовательские и опытно-конструкторские работы. Институт солнечно-земной физики СО РАН не случайно стал инициатором мегапроекта. Это - крупнейший и единственный в России центр по изучению Солнца, межпланетной среды и их влияния на Землю. По набору масштабных научных инструментов, полигонов, обсерваторий, принадлежащих одному учреждению, размещенных на огромной территории Восточной Сибири, ему нет равных.

Заметим, еще в 1886 г. в Иркутске была открыта магнитная обсерватория, с которой и начались систематические гео- и гелиофизические изыскания в России. Именно она зарегистрировала в 1908 г. загадочный эффект резкого изменения магнитного поля Земли в результате падения Тунгусского космического тела*. В 1956 г., в преддверии Международного геофизического года, ее реорганизовали в комплексную магнитно-ионосферную станцию. Через два года здесь появились первые инструменты, с их помощью наблюдали Солнце в оптическом и радиодиапазонах. А в 1960 г. на базе этой станции был создан Сибирский институт земного магнетизма, ионосферы и распространения радиоволн, преобразованный впоследствии в Институт солнечно-земной физики СО РАН.

Хороший астроклимат Восточной Сибири позволил в тот год заложить Саянскую солнечную обсерваторию (в 300 км к западу от Иркутска на высоте 2000 м на советско-монгольской границе), Байкальскую

* См.: Э. Галимов, М. Назаров. Столетие Тунгусского события. - Наука в России, 2008, N 3 (прим. ред.).

астрофизическую (в 60 км к юго-востоку от Иркутска на горном склоне над озером Байкал) с большим солнечным вакуумным телескопом, а несколько позже в живописной долине, примыкающей к Байкалу, - Тункинскую радиоастрономическую обсерваторию. Здесь, вблизи урочища Бадары, был сооружен уникальный инструмент - Сибирский солнечный радиотелескоп - радиоинтерферометр из 256 антенн, выстроенных в форме гигантского креста. В 1996 г. коллектив его создателей получил премию Правительства РФ в области науки и техники.

Тяжелые для страны и науки 1990-е годы институт прошел с минимальными потерями. Благодаря эффективному руководству он не только сохранил обсерватории и полигоны, но и продолжил оснащать их новыми приборами. Одним словом, 50-летняя история центра убедительно доказывает: его коллектив способен реализовать программу национального масштаба.

Рассматриваемый мегапроект, отметил Гелий Жеребцов, объединит в единую сеть большой солнечный телескоп, радиогелиограф, многофункциональный радиофизический комплекс для исследования околоземного космического пространства, систему радаров и лидарно-оптический комплекс для изучения верхних слоев атмосферы.

Ввод в строй телескопа-коронографа с диаметром зеркала 3 м, по словам ученого, должен внести решающий вклад в наше понимание происхождения солнечной активности, управляющей явлениями космической погоды в межпланетной среде и околоземном пространстве. "Мы знаем, - заметил он, - что большие солнечные вспышки рождают потоки высокоэнергичных частиц. Выбросы корональной массы порождают ударные волны, ускоряющие их. Все это может вызвать нарушения в работе технических систем, представляет опасность для здоровья космонавтов, пассажиров авиалайнеров, трассы которых проходят через полярные зоны Земли".

Спусковой механизм нарушения равновесия лежит в тонкой структуре магнитного поля Солнца. Телескоп даст точные знания о микроструктуре магнитных полей в самых глубоких слоях фотосферы, позволит заглянуть в подфотосферные слои. "В конечном итоге мы придем к физически обоснованной модели солнечно-земного взаимодействия", - подчеркнул Жеребцов.

С помощью другого инструмента - многоволнового радиогелиографа, или многоволнового солнечного радиотелескопа, включенного в гелиогеофизический комплекс, - специалисты будут изучать процессы в короне Солнца. Вспышки, выбросы ионизированной массы, утверждает академик, приводят к резкому увеличению потоков плазмы солнечного ветра, ускоренных частиц и жестких электромагнитных излучений в околоземном пространстве. Источник энергии взрывных процессов - магнитное поле в атмосфере светила. При этом с выбросами плазмы к Земле "тянутся" так называемые магнитные облака, поля которых радикально влияют на геоэффективность возмущений солнечного ветра. Определение их структуры - ключевой вопрос в понимании природы солнечной активности и развитии основ и методов прогноза космической погоды. Измерение корональных магнитных полей возможно только по излучению ближайшей к нам звезды в радиодиапазоне. Наблюдения на современном радиогелиографе позволят наряду с этой диагностикой получать и качественно новую информацию для решения ключевых проблем солнечной активности.

Проект предполагает поэтапное создание трех антенных Т-образных решеток с длиной луча ~1 км. Сигнал со всех антенн будут собирать в аппаратном зале с помощью оптоволоконных линий связи, при этом специалисты получат одновременно не менее шести изображений Солнца на различных частотах. Следует отметить: при новом строительстве будут использованы излучатель Сибирского солнечного радиотелескопа в Бадарах и созданная для его обслуживания инфраструктура.

Для решения другой задачи - мониторинга мощных протонных вспышек - предполагается установить два телескопа на высоте -2000 м: на территории Саянской горной солнечной обсерватории и в поселке Нижний Архыз (Республика Карачаево-Черкес-

сия), где расположен крупнейший аппарат РАТАН-600 (радиотелескоп Академии наук). Вся эта система должна работать как единый пространственно разнесенный инструмент.

Но, пожалуй, наибольшие затраты связаны с созданием радиофизического комплекса для исследования ближних к поверхности нашей планеты слоев. Верхняя атмосфера (на высоте от 80 до 1500 км) составляет одну из важнейших частей единой системы Солнце-Земля и играет ключевую роль в процессах взаимодействия ионизированной и нейтральной газовых оболочек. Это та область, на которую воздействуют процессы, происходящие "сверху" (на Солнце) и "снизу" (начиная от уровня Земли и океана). Радиофизический комплекс должен внести определяющий вклад в понимание перечисленных взаимодействий.

Важную роль здесь будет играть и мезосферно-стратосферно-тропосферный радар, измеряющий параметры атмосферы в интервале от 1 до 90 км, что позволит изучать слои атмосферы как единую систему (заметим, данный метод будет впервые реализован в нашей стране). А входящий в радиофизический комплекс радар некогерентного рассеяния, разработанный с применением новейших технологий, даст параметры околоземного космического пространства, начиная с нижних слоев ионосферы (100 км) до магнитосферы (2000 км) включительно.

"Надо учитывать, - заметил Жеребцов, - что все процессы, которые мы изучаем, носят глобальный, планетарный характер, и невозможно получить цельную картину того или иного явления, если вести наблюдения в одном месте. Для полных фундаментальных исследований важна картина в целом, поэтому такие крупномасштабные исследования должны носить международный характер".

Изучение ионосферы и верхней атмосферы, подчеркнул академик, представляет интерес для различных областей науки и техники: космической и наземной радиосвязи, радиолокации и навигации, летательных аппаратов и спутников.

Радиофизический комплекс будет базироваться в пределах 200 км от Иркутска и восполнит существующий пробел в долготной цепи геофизических центров США, Европы и Японии. Этот регион характеризуется высокой сейсмической активностью, обеспечивающей необходимые условия для атмосферных и ионосферных исследований. Именно здесь в последние годы зарегистрировано много необычайно мощных возмущений в верхней атмосфере, в том числе и при умеренных геомагнитных бурях. Данные приборов будут иметь большое значение для получения глобального распределения параметров ионосферы и атмосферы, что крайне необходимо для понимания планетарных явлений.

Одна из центральных проблем солнечно-земной физики - воздействие солнечного ветра на магнитои ионосферу нашей планеты - находится сейчас в сфере внимания международной сети "Супердарн", состоящей из 17 высокочастотных коротковолновых радаров когерентного обратного рассеяния, радиолокационное поле которых покрывает полярные области в Северном и Южном полушариях. Владеют этим

инструментом 9 стран: США, Канада, Великобритания, Франция, Италия, Япония, Австралия, ЮАР и Китай. В ближайшие годы коллаборация планирует развернуть в полярных и субполярных регионах еще 7 новых радаров. Однако без участия России - ее территория охватывает значительный долготный сектор - невозможно восстанавливать систему конвекции ионосферной плазмы в Северном полушарии и прогнозировать развитие возмущений верхней атмосферы во время геомагнитных бурь. Поэтому в нашей национальной программе предусмотрено развитие российского сегмента когерентных высокочастотных радаров как части сети "Супердарн". Это поможет в полной мере реализовать ее возможности и обеспечить паритетное участие отечественных ученых в международной кооперации.

Жеребцов считает, что в рамках этого проекта на территории нашей страны необходимо построить минимум четыре радиолокационные станции на полигонах Института космофизических исследований и распространения радиоволн ДВО РАН (п. Паратунка Камчатского края) вблизи поселка Стекольный Магаданской области и города Братска, а также Института геологии и геохимии им. А. Н. Заварицкого УрО РАН (г. Екатеринбург) недалеко от поселка Арти Свердловской области, чтобы "замкнуть" систему мониторинга полярной и субполярной ионосферы Северного полушария.

И, наконец, важнейшей частью гелиогеофизической национальной программы должен стать лидарно-оптический комплекс. Для изучения верхней атмосферы и ионосферы, состоящих из нейтрального газа и заряженных частиц, электронов и ионов, обладающих собственным свечением, применяют оптические приборы: интерферометры, фотометры, спектрографы и лидары. Работа последних основана на излучении в атмосферу коротких световых импульсов, формировании сигналов в обратном направлении и оценке по полученным данным различных параметров газовой оболочки небесного тела.

Программой предусмотрено создание многоканального лидара на территории Байкальской астрофизической обсерватории в поселке Листвянка для получения важных физических параметров средних и верхних слоев: температуры, плотности ветра, состава, формируемого под воздействием природных процессов и антропогенного влияния.

Еще одна задача лидарно-оптического комплекса - изучение изменений в области мезопаузы, т.е. в интервале высот от 80 до 100 км. "Сейчас перед научным сообществом, - сообщил Жеребцов, - встал очень интересный вопрос: изменяется ли климат на высоте мезосферы? Если да, то как и почему это происходит?". Многоканальный лидар внесет ясность и в эти спорные проблемы.

К сожалению, заключил Жеребцов, наша страна пока не располагает столь широким набором технических средств, а это увеличивает темп ее отставания от зарубежных конкурентов. За последние 20 лет на Западе для изучения Солнца, магнитосферы, верхней атмосферы Земли создано большое количество крупных экспериментальных установок и обсерваторий нового поколения. Так, на Аляске введен в строй новейший нагревной стенд и радар для зондирования ионосферы мощным коротковолновым радиоизлучением. Завершено сооружение радара некогерентного рассеяния на севере США. Эффективный инструментарий появился на архипелаге Шпицберген. В Китае развернута беспрецедентная региональная сеть станций. Большие работы ведутся в Европе, США и других странах мира по строительству суперсовременных солнечных телескопов. Национальный гелиогеофизический комплекс РАН находится в русле этих тенденций. Его реализация позволит полностью ликвидировать наше отставание и выйти на передовые рубежи в области солнечно-земной физики.

Киселева Г. Мегапроект - это прорыв к знаниям мирового уровня. - Газета "Наука в Сибири", 2012, N15

Материал подготовила Марина ХАЛИЗЕВА

Публикатор:

Постоянная ссылка для научных работ (для цитирования):

Комментарии: