Точная дата запуска научного спутника «Ионосфера-М» (на снимке) с космодрома Восточный еще не определена. Возможно, это случится осенью, но, может, и позже, а пока идет обкатка уникального прибора — бортового ионозонда ЛАЭРТ. По просьбе «Поиска» представляет новинку главный конструктор уникального прибора доктор физико-математических наук Сергей ПУЛИНЦ, сотрудник Института космических исследований РАН.
— Сергей Александрович, для чего предназначены спутник и ваш прибор?
— В космической физике есть важное и сложное понятие — «космическая погода». Если говорить просто, это воздействие солнечной активности внутри магнитосферы Земли на жизнедеятельность человека. Подразумевается не только его здоровье, но и состояние обслуживаемой людьми всевозможной техники. Фактически их окружающей среды. Ее благополучие и нормальная жизнедеятельность прямо зависят от положения оболочек, защищающих нашу планету: магнитосферы, ионосферы и атмосферы. Каждая из них в той или иной степени предохраняет Землю от прямого попадания энергичных частиц и жесткого электромагнитного излучения (рентгена и ультрафиолета), непрерывно излучаемых светилом. Солнечная активность (солнечный ветер, выбросы корональной массы, протонные и рентгеновские вспышки) вызывает в них целый ряд возмущений. Если бы «порывы» солнечного ветра достигали Земли, на ней просто не существовало бы ничего живого. А благодаря надежной защите — магнитосфере — он обтекает Землю, поэтому уровень негативного воздействия солнечной активности не является критическим. По форме магнитосфера имеет вид вытянутой капли. Ее граница в подсолнечной точке находится на расстоянии 8-14 радиусов Земли, а с «ночной стороны» вытягивается до нескольких сотен радиусов. Солнечный ветер действует импульсивно, и магнитосфера в ответ сжимается, выталкивая из себя потоки частиц, — это полярные сияния. Сверкающие всполохи, переливающиеся в зеленых и красных тонах, наблюдают в высоких широтах.
Ионосфера — верхняя часть атмосферы, начинается на высоте 50-60 км от Земли. Ультрафиолетовое, а также рентгеновское излучение Солнца благодаря атмосферным газам образует ионизированную среду. Максимум концентрации космической плазмы находится на высоте порядка 350-400 км. Магнитоактивная космическая плазма ионосферы заметно влияет на траектории распространения радиоволн. Любой их диапазон зависит от ее состояния. Поэтому за ней так важно наблюдать и составлять надежный прогноз. (Во время Второй мировой войны от этого часто зависело оперативное управление войсками.) Сегодня спутники, движущиеся на высоте порядка 20 000 км от поверхности Земли, передают данные, обеспечивающую надежность навигации. Сигналы принимают, скажем, датчики автомобильных навигаторов, настроенные на волну GPS или ГЛОНАСС, и помогают водителям ориентироваться на местности. Происходящие в ионосфере возмущения подчас могут вызвать ошибки в определении координат и стать причиной критических ситуаций, например, при посадке самолетов.
Интенсивные токи ионосферы индуцируют в земной коре различные возмущения, которые нередко приводят к чрезвычайным происшествиям, например, самопроизвольному переключению стрелок на железной дороге. На многочисленных путепроводах токи воздействуют на металлические трубы — они начинают ржаветь, их долговечность заметно сокращается. С этими тревожными явлениями инженеры борются, изолируя отдельные участки трубопроводов. А в ЛЭП опасные токи становятся причиной аварий. Классический пример — космическая буря и последовавший за ней выход из строя оборудования электростанций в Канаде 13-14 марта 1989 года, когда чуть ли не полстраны осталась без света.
Таков примерный масштаб катастроф, вызванных сюрпризами космической погоды. И, как установили ученые, она может прямо воздействовать на здоровье человека. Недаром в метеопрогнозах в последние годы нас стали предупреждать о надвигающихся магнитных бурях — важная информация для людей метеозависимых. Но не только для них. Снижается концентрация внимания водителей — значит, не исключены аварии. Увеличивается число психических обострений. У страдающих от сердечно-сосудистых заболеваний в крови нередко образуются сгустки, задерживающие кровоток, — это ухудшает состояние больных.
— Но нельзя же повлиять на происходящие в космосе опасные явления?
— Но о них можно предупреждать. Свет от вспышки на Солнце идет до Земли 8 минут. Аномальные потоки солнечного ветра, хотя нас и защищает магнитосфера, все же могут достигнуть Земли за двое суток. Поэтому необходимо наблюдать за Солнцем с помощью космических аппаратов, непрерывно фиксирующих негативные явления.
Первыми приборами для исследования состояния ионосферы Земли были ионозонды — импульсные приемопередатчики. Своего рода это радары с изменяющимися частотами. Передаваемые ими короткие импульсы отражаются от ионосферы и возвращаются обратно в приемник. А высоту ионосферного слоя определяют по задержке сигнала. Это позволяет измерять высотное распределение электронной концентрации. Беда, однако, в том, что из-за недостатка ресурсов и кадров для обслуживания наземных ионозондов их было совсем немного: в некоторых странах — по пальцам пересчитать. В СССР в лучшие годы их насчитывалось 15-20 — слишком мало для огромной территории.
С началом космической эры возникла идея устанавливать подобные приборы на спутники. Первый ионозонд запустили в 1964 году за рубежом. В СССР его впервые отправили в космос в 1978-м на спутнике «Интеркосмос-19» (я участвовал в его подготовке). Началась эпоха изучения ионосферы с помощью комплексных геофизических лабораторий из космоса, позволяющих получать глобальную картину динамики ионосферы. Затем стали создавать системы специализированных спутников для изучения ионосферы с целью регулярного мониторинга космической погоды. Первый спутник запустили в 1987 году. Он же стал последним из-за наступившего кризиса. Перерыв в полетах научных спутников с ионозондами на борту, увы, продолжается до сих пор.
— Можно спросить, почему?
— Назову два фактора. Первый — теоретический. Развернулась борьба между научными школами за применение различных методов исследования ионосферы. Предлагалось, в частности, проводить на спутниках только зондовые измерения, хотя их возможности ограничены высотой орбиты, в то время как ионозонд позволяет получить высотное распределение параметров космической плазмы. Были и другие предложения. Так, в США высотные профили концентрации плазмы определяют методом оптических измерений по свечению возбужденных молекул атмосферных газов.
Второй фактор — технический. Для измерения интересующих нас волн нужны антенны длиной в десятки метров. Понятно, что это потребует решить сложные технические задачи. Одолеть их, в принципе, можно, хотя дело далеко не простое. Для спутника «Ионосфера-М» антенны из тяжелых металлических сплавов заменили легкими углепластиковыми. Замечу, что длительный перерыв в запуске спутников с ионозондами отмечается и у американцев: «болезнь» поразила обе ведущие космические державы.
— Но теперь выход из тупика, наконец, найден?
— Да, удалось решить и теоретические, и технические задачи. Создать более совершенный и универсальный прибор, заменяющий множество датчиков и способный производить измерения параметров ионосферы на разных высотах. Это позволит вместе с наземными ионозондами получать полный профиль распределения космической плазмы и, так сказать, «копнуть» ионосферу в глубину. Кроме этого, аппаратура позволит мониторить глобальное распределение электромагнитных излучений в широком диапазоне частот как естественного, так и искусственного происхождения. За очень небольшой промежуток времени — 10 секунд — аппарат излучает серию из 400 импульсов на различных частотах, начиная со 100 килогерц и до 20 МГц, и получает «ответы», позволяющие создать «портрет» ионосферы.
Антенная система ионозонда представляет собой сложную конструкцию, состоящую из направленных в разные стороны 8 штырей. При этом передающие антенны имеют V-образную форму, их длина — как говорят, от пика до пика — составляет 30 метров. Это наше ноу-хау. При выходе на орбиту антенны выдвинутся из корпуса спутника, и вместе с раскрывшимися штангами (для крепления других измерительных датчиков) аппарат будет слегка напоминать морского ежа. (Макет аппарата можно увидеть на выставке в ИКИ, на экскурсии по институту или во время дней открытых дверей. Макет создан при поддержке Фонда содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере.)
Ионозонд прошел все технологические испытания, подтверждены его основные характеристики, касающиеся точности и достоверности получаемой информации. Спутник «Ионосфера-М» имеет форму прямоугольного параллелепипеда с максимальной длиной ребра порядка 1,5 метра, его вес — около 370 кг. Энергией его обеспечивает большая солнечная батарея. Главные параметры космической системы задал Институт прикладной геофизики им. академика Е.К.Федорова Росгидромета. Задачи по конфигурации и изготовлению полезной нагрузки спутника взял на себя ИКИ РАН, а за конструкцию и изготовление «ежа» отвечала корпорация ВНИИЭМ, разработчик серии спутников «Метеор». На первом этапе предполагается одной ракетой запустить два спутника. Они «поделят» между собой небо, и мы сможем приступить к мониторингу космической погоды. В последующие годы спутники будут сменять друг друга — так будет организована постоянно действующая система наблюдения за космической погодой. Первыми получать ценнейшие сведения, столь необходимые для обеспечения работы всевозможных систем связи, будут Росгидромет и РАН.
Юрий ДРИЗЕ
Фото Т. Жаркова, ИКИ РАН
Нет комментариев