Автор: В. Н. ОРАЕВСКИЙ, В. Д. КУЗНЕЦОВ

стр. 4

Доктор физико-математических наук В. Н. ОРАЕВСКИЙ, директор Института земного магнетизма, ионосферы и распространения радиоволн РАН, доктор физико-математических наук В. Д. КУЗНЕЦОВ, первый заместитель директора того же института

Сегодня мы представляем читателям уникальное научное учреждение России - Институт земного магнетизма, ионосферы и распространения радиоволн РАН (ИЗМИРАН). Основные направления его деятельности связаны с исследованиями физики Солнца и солнечно-земной физики, магнетизма Земли и других планет, их ионосферы и магнитосферы, распространения радиоволн. Здесь ведут также изыскания в области геофизики, экологии, картографии и др. Краткосрочные прогнозы геомагнитной обстановки по данным ИЗМИРАНа ежедневно сообщаются по Центральному телевидению нашей страны. Все эти работы здесь проводятся комплексно, как было заложено еще первым директором института, доктором физико-математических наук Н. В. Пушковым (1903 - 1981). Развитие науки последних десятилетий показало правильность такого подхода.

РОДОСЛОВНАЯ ИЗМИРАНа

Предшественник ИЗМИРАНа - Научно-исследовательский институт земного магнетизма - был создан 11 октября 1939 г. по решению правительства СССР для проведения геомагнитных и ионосферных исследований. В его состав вошли расположенные в Павловске (Ленинградская область) магнитная обсерватория и ионосферная станция, а также Бюро генеральной магнитной съемки (Ленинград). В научные задачи нового учреждения, наряду с изучением топологии геомагнитного поля, его источников, аномалий и изменений во времени для нужд навигации и геологических изысканий, включили наблюдения Солнца, ионосферы, ионосферных и магнитных возмущений, краткосрочные прогнозы состояния магнитного поля.

В годы Великой Отечественной войны 1941 - 45 гг. ученые института составляли долгосрочные прогнозы состояния ионосферы, так необходимые армии, магнитные карты для различных родов войск и флота, одновременно вели наблюдения солнечных пятен и космических лучей. В 1944 г. институт вернулся из эвакуации, но не в разрушенный фашистами Павловск, а в Подмосковье, на 40-й километр Калужского шоссе (ныне город Троицк*), где располагается и по настоящее время. В Ленинград вернулись лишь отделы магнитной съемки и магнитной картогра-

* См.: В. А. Матвеев, В. Д. Лаптев. От суконной фабрики - к фундаментальной науке. - Наука в России, 1999, N 6 (прим. ред.).

стр. 5

фии, образовавшие Ленинградское (ныне - Санкт-Петербургское) отделение. С 1945 г. масштабы деятельности института существенно увеличились, и сотрудникам фактически пришлось выполнять роль ионосферной службы - составлять прогнозы, необходимые для обеспечения надежности коротковолновых линий радиосвязи.

В связи со значительным расширением исследований ионосферы и распространения радиоволн в 1956 г. институт был передан из системы Главного управления гидрометеорологической службы в Министерство связи СССР и назван Научно-исследовательским институтом земного магнетизма, ионосферы и распространения радиоволн.

После запуска в Советском Союзе в 1957 г. первого искусственного спутника Земли перед его учеными открылись новые, поистине грандиозные возможности в изучении магнитного поля и ионосферы Земли и планет, Солнца и солнечно-земных связей. Уже на третьем спутнике был установлен специальный магнитометр для определения величины магнитного поля в околоземном космическом пространстве. А с помощью разработанных здесь уникальных приборов удалось собрать ценнейшую информацию о магнитных полях околоземного космического пространства и Луны.

Расширение исследований по фундаментальным проблемам солнечно-земной физики, геофизики, активное участие в изучении космического пространства привело к тому, что в 1959 г. институт перевели в ведение АН СССР, и с того времени он получил сегодняшнее свое название - ИЗМИРАН. На базе его подразделений и при активном содействии в 60-х годах были организованы академические Полярный геофизический институт (Мурманск), Сибирский институт земного магнетизма, ионосферы и распространения радиоволн (Иркутск) - ныне Институт солнечно-земной физики, Институт космофизических исследований и аэрономии (Якутск).

СОЛНЕЧНО-ЗЕМНАЯ ФИЗИКА И КОСМИЧЕСКАЯ ПОГОДА

Одно из основных направлений научной деятельности ИЗМИРАНа сегодня - изучение нашего светила и солнечно-земных связей. Его актуальность обусловлена тем, что в последние годы во всем мире возникло понимание влияния солнечной активности на физические процессы, происходящие на Земле и в околоземном космическом пространстве - магнитосфере и ионосфере, на геосреду и различные сферы человеческой деятельности. Эти исследования ведут наземными и космическими средствами наблюдений, причем наиболее значимые результаты получены благодаря последним, так как, к примеру, наблюдения в рентгеновском и ультрафиолетовом диапазоне спектра возможны только из космоса.

Солнце - основной источник космической погоды. Оно довольно часто нарушает "спокойствие" на Земле и в околоземном космическом пространстве. Достаточно сказать, что в течение 11 -летнего цикла его активности на нем происходит около 37000 вспышек (по данным наблюдений за 22-й цикл в 1986 - 1996 гг.). В максимуме солнечного цикла в среднем бывает 1 вспышка за 1 - 2 ч, в минимуме - 1 - 2 вспышки в день. Выбросы вещества солнечной короны в среднем отмечаются 5 - 10 раз в день в максимуме цикла. В настоящее время светило находится вблизи максимума 11 -летнего цикла (он был достигнут в апреле 2000 г.). Высокий уровень активности продлится еще в течение двух- трех лет. Максимум следующего, 24-го цикла ожидается в 2010 - 2013 гг.

За каждый цикл на Земле под действием различных факторов солнечной активности (вспышки и связанные с ними ударные волны, выбросы коронального вещества, высокоскоростные потоки солнечного ветра и т.д.) происходит около 500 магнитных бурь, влияющих как на состояние здоровья больных людей, так и способных приводить к опасным, а в ряде случаев и катастрофическим воздействиям на различные технические системы. В этой связи достаточно упомянуть, например, обесточение на 9 ч штата Квебек (Канада) в марте 1989 г. из-за наведенных в линиях электропередач индукционных токов и отключения защитных реле.

В ИЗМИРАНе функционирует Центр прогнозов геофизической обстановки, где наблюдают за состоянием солнечной активности по космическим и наземным данным и обеспечивают информацией о состоянии магнитного поля Земли и магнитных бурях заинтересованные организации и ведомства. Скажем, наше оперативное предупреждение о предстоящей магнитной буре в июле 2000 г. позволило парировать ее негативное влияние на российский спутник "Океан-О" и сохранить его на орбите (кстати, японцы тогда потеряли свой дорогостоящий аппарат "Аска"). Центр обеспечивал также оперативный прогноз геомагнитной активности и зависящего от нее состояния ионосферы при выполнении ответственной операции по прекращению полета станции "Мир" и затоплению ее в запланированном районе 23 марта 2001 г.

Для исследования Солнца и солнечно-земных связей на разных фазах 11- летнего солнечного цикла в ИЗМИРАНе разработана и успешно осуществляется международная программа КОРОНАС (Комплексные орбитальные околоземные наблюдения активности Солнца). В ее рамках приборы на запущенном в 1994 г. спутнике "Коронас-И" наблюдали светило вблизи минимума его активности, а на "Коронас-Ф" (старт которого состоялся 31 июля 2001 г.) в настоящее время исследуют солнечную активность вблизи максимума текущего, 23-го цикла. Орбита второго аппарата (наклонение - 82,49 ^o , минимальное удаление от поверхности Земли - 500,9 км, максимальное - 548,5 км, период обращения - 94, 859 мин) обеспечивает периодически повторяющиеся сеансы непрерывных наблюдений за нашим светилом (длительностью до 20 суток), что важно для мониторинга большинства солнечных явлений.

Основные научные задачи проекта "Коронас-Ф" - изучение глобальных колебаний светила и на этой основе - сейсмологии его недр и внутреннего строения, комплексные исследования мощных динамических процессов активного Солнца (вспышки, выбросы плазмы, активные области) в широком диапазоне длин волн - от оптики до гамма, а также солнечных космических лучей, ускоренных во время солнеч-

стр. 6

ной активности, условий их выхода и распространения в межпланетном магнитном поле, воздействие на магнитосферу Земли.

На спутнике "Коронас-Ф" с участием специалистов Физического института им. П. Н. Лебедева РАН реализовано новое направление в астрофизике - рентгеновская спектроскопия, позволяющая по монохроматическим изображениям Солнца восстанавливать трехмерную структуру и исследовать динамику плазменных образований в его атмосфере в широком диапазоне существующих температур - от 50 тыс. до 50 млн. градусов Кельвина. Таким образом, удалось впервые обнаружить динамические плазменные структуры с температурами в десять миллионов градусов, почти в десять раз превышающими температуру солнечной короны.

За время работы этого спутника получено более 80 000 снимков Солнца в различных линиях рентгеновского диапазона и восстановлены трехмерные изображения и динамика короны для отдельных периодов активности нашего светила.

Высокое временное и спектральное разрешение рентгеновского и гамма- излучения, обеспечиваемого приборами спутника, дает исследователям уникальные данные для понимания происходящих на светиле высокоэнергичных явлений. А регистрация солнечных космических лучей в диапазоне средних энергий позволяет контролировать радиационную обстановку в околоземном космическом пространстве и изучать солнечно- земные связи. С помощью "Коронас-Ф" ведут и наблюдения глобальных колебаний Солнца в наиболее информативном диапазоне - в области ультрафиолетового излучения. Благодаря этому ученые лучше понимают внутреннее строение светила и происходящие в его недрах физические процессы.

"ИНТЕРГЕЛИОЗОНД", "КОРОНОГРАФ" И ДРУГИЕ

Реализуемая ИЗМИРАНом программа исследований Солнца включает также проекты "Интергелиозонд", "Коронограф" и "Полярно-эклиптический патруль".

В рамках первого планируется, что космический аппарат, находясь на гелиоцентрической орбите, совершит многократные гравитационные маневры у Венеры и за счет ее притяжения по скручивающейся траектории приблизится к светилу на расстояния, при которых он в течение недели будет "висеть" над заданным участком его поверхности. В результате будут установлены важные для солнечно-земных связей прямые корреляции между явлениями на Солнце и в межпланетной среде. А поскольку расстояние космического аппарата от светила в перигелии составит одну седьмую расстояния от Земли до Солнца, то специалисты смогут наблюдать его поверхность с высоким пространственным разрешением, не достижимым с нашей планеты.

Облетая вокруг светила примерно за треть года, "Интергелиозонд" будет занимать разные положения по отношению к линии Солнце-Земля, следить за ним сбоку от этой линии и с обратной, не видимой с Земли стороны. Это позволит не только вести стереонаблюдения поверхности Солнца и его короны, но и регистрировать распространяющиеся в направлении Земли выбросы солнечного вещества, возмущения магнито- и ионосферы, обеспечивая тем самым заблаговременный прогноз их возможных геофизических

стр. 7

проявлений, к примеру, магнитных бурь. На последующих этапах своей миссии космический аппарат за счет тех же гравитационных маневров у Венеры наклонит плоскость своей орбиты по отношению к плоскости эклиптики и станет наблюдать полярные области светила, где происходят важные для понимания солнечного цикла процессы взаимодействия магнитного поля, вращения и конвекции солнечного вещества. Реализация данного проекта позволит также ответить на ключевые для солнечно-земной физики и астрофизики вопросы о механизмах нагрева солнечной короны, происхождения и ускорения солнечного ветра, происхождения наиболее мощных проявлений его активности - солнечных вспышек и выбросов коронального вещества.

По проекту "Коронограф" спутник на околоземной орбите станет ежемесячно "ловить" тень Луны от Солнца и наблюдать полное солнечное затмение, что редко (в среднем один раз в 2 года) удается с поверхности Земли. Во время солнечных затмений (и только) можно получать уникальные изображения самых низких слоев солнечной короны и детально изучать их структуру.

В рамках разрабатываемого в ИЗМИРАНе проекта "Полярно-эклиптический патруль" предполагается обеспечить непрерывный мониторинг активности нашего светила и солнечного ветра, идущих в направ-

стр. 8

лении к Земле солнечных выбросов и гелиосферных возмущений, а также наблюдения за полярными областями и обратной стороной Солнца. Для этого два малых космических аппарата разместят на полярных (или наклоненных под углом 45 ^o к плоскости эклиптики) гелиоцентрических орбитах на расстоянии 0,5 астрономической единицы от Солнца таким образом, что плоскости их орбит будут перпендикулярны друг другу, а сами аппараты на орбитах разнесены между собой на четверть периода (период - около 130 дней). При такой орбитальной схеме один космический аппарат обеспечит непрерывное (а в течение длительного времени - оба космических аппарата) наблюдение за светилом вдоль линии Солнце-Земля. В результате мониторинг одновременно будет осуществляться как в приэклиптических, так и в приполярных областях. Это позволит непрерывно изучать как низко-, так и высокоскоростной солнечный ветер, даст объемную картину солнечной короны и солнечных выбросов. В отдельные периоды один из космических аппаратов будет располагаться по отношению к линии Солнце-Земля в другой, чем Земля, полусфере, и, таким образом, "увидит" обратную, не видимую с Земли сторону Солнца.

Словом, проект "Полярно-эклиптический патруль" обеспечит непрерывный поток наиболее важной информации, необходимой для контроля космической погоды, исследования солнечно-земных связей и предупреждения "земного эха" солнечных бурь.

МАГНИТО- И ИОНОСФЕРНАЯ ФИЗИКА

Институтом получены интересные результаты в области магнитных исследований во время многочисленных рейсов в мало изученные районы Мирового океана немагнитного судна "Заря" (70 - 80-е годы XX в.). Тогда был проведен анализ глобальных данных о вековом ходе геомагнитного поля и построены соответствующие аналитические модели.

В эксперименте "Хибины" (80-е годы) реализован разработанный с участием ИЗМИРАНа метод глубинного электромагнитного зондирования с целью изучения геологической структуры земной коры на основе искусственных возмущений геомагнитного поля, вызванных с помощью мощного импульсного МГД-генератора. Нашим специалистам принадлежала ведущая роль в обработке и интерпретации данных, полученных в этом эксперименте как на суше, так и на шельфе Баренцева моря. Эти результаты имеют большое значение для поиска полезных ископаемых и определения перспективных нефтегазоносных районов на севере европейской части России.

С помощью созданных в нашем институте донных магнитных станций в 80-е годы были измерены вариации геомагнитного поля в отдельных районах дна Каспийского моря. На их базе построены модели распределения проводимости под дном Каспия (Южно-Каспийская мегавпадина), что позволит лучше изучать этот богатый полезными ископаемыми регион. В рамках международного проекта "Венера - комета Галлея" (1984 - 1986 гг.) на космических аппаратах "Вега-1" и "Вега-2" были установлены разработанные ИЗ М ИРАНом (или с его участием) телевизионный датчик наведения, магнитометр МИША, анализатор плазменных волн. С их помощью получены уникальные данные по электромагнитным волновым процессам в околокометной области, измерены амплитуды электрического поля на низких частотах, определено магнитное поле и его изменения вблизи кометы Галлея.

Нашими сотрудниками определены механизмы сверхдальнего распространения коротких радиоволн, а также роль неоднородностей электронной концентрации в ионосфере и условия, при которых межслоевой канал в ионосфере может обеспечить волноводное распространение радиосигналов с исключительно малыми потерями. Кроме того, исследованы эффекты нелинейного рассеяния радиоволн, приводящие к их захвату в ионосферный канал, и процессы вывода электромагнитной энергии из него. Разработаны мето-

стр. 9

дики расчета траектории радиосигналов в трехмерно-неоднородной многослойной ионосфере, глобальные модели поглощения на радиотрассах в коротковолновом диапазоне. Состояние ионосферы изучено методом вертикального, наклонного и возвратно-наклонного импульсного зондирования с помощью созданной в ИЗМИРАНе аппаратуры - высокоавтоматизированной цифровой ионосферной станции "Сойка-600", станции "Базис", специальной многочастотной установки и многочастотного прибора фазового зондирования ионосферы. Эти и другие сконструированные у нас диагностические средства позволили группе российских ученых выполнить многочисленные исследования процессов модификации ионосферы при воздействии на нее мощным радиоизлучением.

Запуск первых искусственных спутников Земли позволил специалистам института за минувшие десятилетия собрать богатый фактический материал о состоянии и поведении ионосферы. Только за три года работы на орбите "Интеркосмоса-19", созданного под научным руководством ИЗМИРАНа (выведен на орбиту в 1979 г.), исследована ионосфера методом импульсного зондирования, а также процессы, происходящие в ней выше главного максимума электронной концентрации ионосферы, получены сведения об ее возмущениях, вызываемых мощным радиоизлучением. Аппарат "Космос-1809" (запущен в 1986 г.) обеспечивал глобальный контроль окружающей среды, в том числе состояния ионосферы в целях прогноза распространения радиоволн и решения ряда других прикладных задач.

Кстати, именно "Интеркосмосом-19" впервые было зарегистрировано низкочастотное шумовое радиоизлучение, возникающее в ионосфере над районами землетрясений в период их подготовки и прохождения, что дало толчок к изучению механизмов взаимодействия литосферы с атмосферой и ионосферой Земли. Позднее это направление стало одним из важнейших в деятельности нашего института. Базируется оно на том, что процессы, происходящие в земной коре перед началом землетрясений в области очага, изменяют химический состав подземных вод и атмосферных газов, увеличивают интенсивность выбросов радиоактивных веществ и заряженных аэрозолей в атмосферу Земли. В свою очередь, это является причиной возникновения температурных аномалий в той же зоне, влияет на электрическую проводимость приземной атмосферы и параметры электрического тока в цепи Земля-ионосфера. В итоге перед землетрясением в области над активной зоной происходит модификация всех основных характеристик ионосферы - напряженности электрического поля, скорости переноса плазмы и ее ионного состава, распределения по высоте концентрации электронов, структуры мелкомасштабных ионосферных неоднородностей и продольных токов, волновых излучений в различных диапазонах частот и т.п. Перечисленные возмущения среды могут быть зарегистрированы современной спутниковой аппаратурой. А поскольку они формируются в ионосфере за часы, дни или даже недели (в зависимости от вида возмущения) до начала землетрясения, то их можно рассматривать как его ионосферные предвестники и, значит, использовать для прогнозирования будущего события. Эти задачи включены в космический проект "Вулкан" и эксперимент "Сейсмопрогноз-СМ" на борту российского сегмента Международной космической станции, которые будут реализованы с участием ИЗМИРАНа под эгидой Росавиакосмоса.

* * *

Ныне в ИЗМИРАНе работают около 700 человек, в том числе 330 научных сотрудников. В составе института функционируют Санкт-Петербургский, Калининградский и недавно образованный Владикавказский филиалы.

Проводимые у нас исследования, технические и технологические разработки позволяют осуществлять "трансфер" фундаментальных знаний в различные сферы человеческой деятельности - навигацию, геологию, космонавтику, медицину, экологию, в создание различных радиосистем и т.д.

Постоянный адрес данной публикации: