Стратегию развития гелиогеофизического мониторинга рассмотрели на Президиуме РАН.
Последние год-полтора наше Солнце проявляет бурную активность. Полярное сияние все чаще наблюдается даже в средних широтах, магнитные бури, кажется, следуют одна за другой.
Проблемы солнечно-земной физики имеют огромное значение для экономики и безопасности страны, поэтому так важно знать о магнитных бурях заранее. Вопросы о роли спутниковых и наземных измерений и стратегии развития гелиогеофизического мониторинга недавно были вынесены на рассмотрение Президиума РАН под руководством президента Академии наук Геннадия Красникова. В работе принял участие председатель научно-технических советов Роскосмоса и Ростеха Юрий Коптев.
На земле и много выше
Как подчеркнул научный руководитель Института космических исследований (ИКИ) РАН академик Лев Зеленый, продолжительность солнечного цикла в среднем составляет 11 лет. Сейчас наше светило находится как раз на пике своей активности. И долговременные прогнозы показывают, что со следующими циклами она будет только нарастать.
Космическую погоду определяет так называемый солнечный ветер - это фактически расширяющаяся с очень высокой скоростью и очень разреженная горячая плазма, в которую «вморожено» слабое магнитное поле, как бы вытягиваемое плазменным потоком из короны Солнца. Удивительный факт, но от взаимодействия этого межпланетного поля с магнитным полем Земли как раз в основном и зависит, возникнет или нет на планете магнитная буря.
Сильные магнитные бури имеют много негативных последствий: сбои в системах спутниковой навигации, выход из строя трансформаторов, электроники космических аппаратов и т. д. Есть некоторые свидетельства того, что космическая погода влияет и на человека: на сердечный ритм, уровень стресса и т. д.
По словам Л.Зеленого, магнитные бури можно предсказать, чтобы купировать опасности, но для этого надо иметь хороший прогноз.
Сегодня в структуре российской гелиогеофизики три главных блока: система геофизического обеспечения Минобороны, система мониторинга Росгидромета и наблюдательная гелиогеофизическая сеть Минобрнауки России, состоящая из наземной и космической подсистем.
– Нам не хватает выстроенной самодостаточной системы прогнозов, которая прежде всего должна проводить измерения солнечного ветра. Для этого нужен спутник в точке Лагранжа L1 между Солнцем и Землей, который должен будет проводить наблюдения параметров плазмы магнитного поля и энергичных солнечных частиц, - отметил академик. - Технология проведения таких наблюдений хорошо отработана российскими учеными (например, в проекте «Интербол»), но здесь потребуется высокая точность измерений магнитного поля. Правильная ориентация магнитного поля, как ключ в замке, открывает «магнитные ворота» Земли для вторжения потоков солнечной плазмы. Это, конечно, непросто, зато реально даст возможность создания краткосрочного прогноза с почти 90-процентной точностью.
Такой спутник - верхний уровень системы прогноза. Нижний уровень этой системы за последние два года создан - это проект «Ионозонд», четыре спутника которого уже работают на орбите.
Также, по мнению Л.Зеленого, необходимо включить в федеральный проект «Космическая наука» создание космического аппарата для наблюдения за полярными сияниями.
– Гелиогеофизика - это действительно зона стратегических интересов Российской Федерации. Это влияние на спутниковые группировки Минобороны, гражданские системы, человека, наземную инфраструктуру, - подчеркнул ученый.
В 2022 году в РАН была создана межведомственная научно-техническая комиссия по гелиогеофизике под руководством академика Л.Зеленого. В нее входят представители Минобороны, Росгидромета, Роскосмоса, Росатома. Задача комиссии - создание развернутой программы развития фундаментальной и прикладной гелиогеофизики в России, обеспечение разных отраслей экономики, в том числе силовых ведомств. гелиогеофизической информацией.
Сборка ракеты космического назначения «Союз-2.1б» с космическими аппаратами «Ионосфера-М» №1 и №2 и 53 попутными малыми космическими аппаратами. Фото Космического центра «Восточный» (ЦЭНКИ).
– Результат, к которому мы должны стремиться, - это формирование единого национального комплекса космических и наземных наблюдательных средств для всех фундаментальных и прикладных задач гелиогеофизики, - подчеркнул Л.Зеленый.
Речь идет, в частности, об организации на базе академических институтов, работающих в этом направлении, общей сети, которая будет решать как фундаментальные, так и практические задачи и станет частью общероссийской системы гелиогеофизической информации.
Преемственность и кооперация
Директор ИКИ РАН академик Анатолий Петрукович подчеркнул, что космическая группировка позволяет решать задачи, недоступные для наземных лабораторий.
Ученый назвал проект «Ионозонд», который реализуется Росгидрометом и Роскосмосом совместно с РАН, чрезвычайно успешным примером плодотворного сотрудничества между академией и ведомствами.
– Благодаря твердой позиции академии удалось отстоять план реализации миссии, который обеспечил успешность проекта. Благодаря «Ионозонду» на Землю поступают 60 Гб информации в день в интересах большого количества организаций, - отметил А.Петрукович.
На будущее в федеральном проекте «Космическая наука» запланированы научные миссии.
Телескоп в рамках проекта ФИАН «Арка» призван, по замыслу ученых, впервые в мире различить на Солнце так называемые нановспышки масштабами менее 100 км (это очень мало для нашего светила!) и помочь лучше понять природу солнечной активности.
Если говорить о магнитосферных миссиях, то намечены два запуска в рамках проекта «Резонанс». Также реализуется проект НИИЯФ «Нуклон» для измерения элементного состава космических лучей - солнечных и галактических.
– К сожалению, у нас практически нет космического мониторинга Солнца и солнечного ветра, хотя такие проекты разрабатывались. Но в новом нацпроекте они не предусмотрены, как и продолжение проекта «Ионозонд» после пяти лет гарантийного срока. Хотелось бы поддержать активную роль РАН в части расширения гелиогеофизической группировки в новом нацпроекте, чтобы не допустить спада прогностических возможностей страны, - сказал академик.
Он подчеркнул важность преемственности и поддержки критических технологий, чтобы не создавать каждый раз новые приборы, а использовать заделы. Ученые планируют сформировать единую платформу малого космического аппарата и отрабатывать на первых спутниках аппаратуру для последующих.
А.Петрукович подчеркнул также необходимость поддерживать кооперацию между научными организациями по созданию аппаратуры для проведения очень тонких измерений.
Использовать преимущества и свои модели
По словам директора Института земного магнетизма, ионосферы и распространения радиоволн им. Н.В.Пушкова РАН (ИЗМИРАН) Артема Абунина, из-за солнечных вспышек, магнитных бурь происходит сильный и неравномерный разогрев верхней атмосферы, и траектория каждого космического объекта, будь то аппарат или мусор, начинает индивидуально меняться.
Чтобы предотвратить столкновения космических объектов, была создана система, которая в реальном времени отслеживает их траектории и предполагает, какими эти траектории будут на ближайший период времени. ИЗМИРАН - основной разработчик моделей и программного обеспечения по прогнозированию космической погоды. С 1998 года в рамках гособоронзаказа институт ежедневно определяет входные параметры для создания моделей верхней атмосферы в Центре управления полетами, в основном это характеристики солнечной и геомагнитной активности.
– Умея их предсказать, мы сможем хорошо прогнозировать и плотность верхней атмосферы. Эти же параметры являются входными для большинства моделей ионосферы и ионосферного распространения радиоволн - это уже по линии Минобороны, - отметил А.Абунин.
Ученый назвал основные проблемы, с которыми сталкивается наземная инфраструктура. Гелиогеофизические сети и инструменты были построены довольно давно и требуют модернизации. Оборудование и здания обсерваторий изношены. Плюс большой дефицит кадров из-за низкой оплаты труда, проблемы с финансированием уникальных научных установок, содержанием и техническим обслуживанием нового оборудования.
– У нас не так много обсерваторий, которые могут наблюдать Солнце и давать данные. Существует серьезный риск закрытия как отдельных наблюдений, так и целиком станций, в частности, одной из ключевых - Кисловодской горной станции. Если нам закроют доступ к данным космических аппаратов, мы не сможем прогнозировать ни верхнюю атмосферу, ни распространение радиоволн, - сказал ученый.
Россия, по мнению А.Абунина, при создании эффективной наблюдательной гелиогеофизической сети должна использовать свой серьезный потенциал и конкурентное преимущество - 12 институтов, множество обсерваторий в 11 часовых поясах. У организаций, подведомственных Минобрнауки, большой задел прогнозирования космической погоды, а также опыт применения прогнозов в практической плоскости, распределенная гелиогеофизическая инфраструктура. Однако наземные детекторы не связаны в единую сеть, а данные большинства обсерваторий закрыты для использования даже внутри ведомства.
Директор Научно-исследовательского радиофизического института (НИРФИ) Нижегородского государственного университета им. Н.И.Лобачевского Алексей Шиндин рассказал о нагревных стендах. Это уникальный инструмент, позволяющий не просто наблюдать за космической погодой, но и проводить управляемые физические эксперименты, увязывая воедино наземные и космические измерения.
– Эксперименты со стендами при поддержке численного и лабораторного моделирования постепенно расширяют наше понимание процессов, происходящих в ионосфере и магнитосфере. Приближают нас к появлению методик создания контролируемых ионосферных возмущений, которые имеют уже вполне очевидное прикладное значение для радиосвязи, навигации, космической погоды, физики плазмы, химии атмосферы и т. д., - подчеркнул А.Шиндин.
В мире (за рубежом) всего три действующих нагревных стенда. У нас в стране - единственный среднеширотный стенд «Сура». В 2020 году его модернизировали и вывели на паспортные показатели. Достигнуты хорошие результаты.
По словам ученого, исследования особенно актуальны в свете успешного запуска четырех аппаратов «Ионосфера-М». Уже сейчас в инициативном порядке проводятся совместные наземно-космические эксперименты.
– Для максимальной отдачи от орбитальной группировки нам уже сейчас остро необходимы утвержденная совместная программа исследований и целевое финансирование, - заявил А.Шиндин. НИРФИ - разработчик передового научного оборудования. Нижегородские приборы функционируют в комплексах аппаратов на спутниках «Ионосфера-М». Новые датчики специалисты делают для аппаратов проекта «Резонанс», в том числе высококачественные наземные сверхчувствительные индукционные датчики широкого диапазона до 100 КГц.
Работу этой техники обеспечивает распределенная сеть радиофизических полигонов, которую планируется расширять.
Результатом комплексных исследований, по мнению ученого, могут стать отечественные модели ионосферы.
– У нас есть уникальная инфраструктура - действующие в космосе приборы и собственное производство во многих местах. Дело за межведомственной кооперацией по этому вопросу. Необходимо создавать отечественные модели ионосферы в широком смысле, и у нас есть на чем их валидировать. Есть и спутниковые данные, и лабораторные установки, - заключил директор НИРФИ.
Инструменты нового поколения
Во всем мире ученые активно создают гелиогеофизические инструменты нового поколения.
В России Институт солнечно-земной физики (ИСЗФ СО РАН), что в Иркутске, реализует один из крупнейших в стране проектов научной инфраструктуры - Национальный гелиогеофизический комплекс (НГК) РАН.
По словам директора института члена-корреспондента РАН Андрея Медведева, создается серия уникальных установок, отвечающих современным требованиям мирового уровня и по своим параметрам во многом превосходящих установки США и Китая.
Часть из них уже функционирует, часть строится, некоторые проходят процедуру согласования.
Первым был создан и запущен в эксплуатацию комплекс оптических инструментов в Бурятии. Вторым в 2023 году введен лучший в мире многоволновой радиогелиограф.
В сотрудничестве с ФИАН сибирские ученые прорабатывают новую площадку для наблюдения. Как оказалось, по своему астроклимату местность вблизи Тункинской долины в Бурятии - лучшая на территории России для размещения субмиллиметровых радиотелескопов.
В Бурятии строится трехметровый солнечный телескоп-коронограф. На побережье Байкала появятся система радаров и мезостратосферный лидар с возможностью получения данных с больших высот - до 500 км включительно.
Вблизи Иркутска построят модульный нагревный стенд нового поколения, взаимодействие которого с существующим («Сура») даст выдающиеся возможности для изучения ионосферы. В итоге вся информация должна будет сойтись в центре управления и обработки данных, снабженном мощными оптико-волоконными линиями.
– Важнейший аспект нашей деятельности - взаимодействие с академическими организациями, промышленными предприятиями и Министерством науки и высшего образования. Без их совместной работы создать такой инструмент невозможно, - подчеркнул научный руководитель ИСЗФ СО РАН академик Гелий Жеребцов.
По словам Ю.Коптева, проект создания НГК РАН развивается по плану, однако из-за разрушения международного сотрудничества возникли проблемы. Телескоп, например, планировалось закупить в готовом виде у известной бельгийской фирмы. Из-за санкций потребовалось организовывать кооперацию по созданию инструментов для будущего комплекса по гелиогеофизике внутри страны в рамках программы импортозамещения.
– Проведена масштабная опытно-конструкторская работа (ОКР) силами российских промышленных предприятий и научных организаций. Сейчас идет процедура юридического оформления этапа ОКР. Значимую роль в этом сыграла госкорпорация «Ростех», - отметил Ю.Коптев.
Надежды ученых связаны с Лыткаринским заводом оптического стекла - практически единственным предприятием в России на сегодня, способным производить подобные инструменты.
– Мы не должны зависеть от санкций. Надо развивать и Лыткарино, и Красногорский оптико-механический завод, поскольку они нужны и в других проектах - сканерах, электронике, - подчеркнул Г.Красников.
Подводя итоги дискуссии, вице-президент РАН академик Сергей Чернышев предложил совместными усилиями провести анализ сложившейся ситуации в течение нескольких месяцев и подготовить всестороннюю программу гелиогеофизических исследований в интересах Минобороны, безопасности страны, обычных россиян.
– Программа коснется и космического компонента, включая запуск дополнительных аппаратов, и наземной инфраструктуры. Наше предложение должно быть хорошо обосновано, - отметил он.
Президент РАН Г.Красников поддержал идею объединения космической и наземной составляющих в единый комплекс. Он сообщил о достигнутых договоренностях с руководством Росгидромета и Роскосмоса о необходимости подготовки новых космических аппаратов для изучения Солнца, учитывая истечение гарантийных сроков действующей группировки.
Татьяна УШАНОВА
Обложка: подготовка к запуску космических аппаратов «Ионосфера-М» №1 и №2 на космодроме Восточный специалистами корпорации «ВНИИЭМ». Фото Космического центра «Восточный» (ЦЭНКИ)
