Таинственная энергия

Компьютер и графики — доступные инструменты для изучения земной ионосферы и магнетизма. Фото: Артемий Украинский / «Русская планета»

Специалисты ИЗМИРАН — о том, зачем нужен прогноз космической погоды и каким на самом деле будет конец света

Артемий Украинский

7 декабря, 2015 15:38

9 мин

Магнитные бури, землетрясения и различного рода природные катаклизмы зависят от состояния ионосферы. По ней изучается космическая погода, благодаря которой действуют все навигационные системы и спутниковые приборы. В нашей стране мало специалистов, хорошо разбирающихся в особенностях данных прогнозов, и предполагающих, насколько серьезную угрозу могут представлять для Земли те или иные явления. Одним из мировых центров наблюдения за верхней атмосферой и ближним космосом является Западное отделение Института земного магнетизма, ионосферы и распространения радиоволн (ИЗМИРАН), расположенное в центре Калининграда. Именно здесь научные сотрудники ежедневно ведут мониторинг космической погоды.

– Наше учреждение появилось в 1963 году, как станция ионосферного зондирования. Это было время покорения космического пространства, спутников и зондов. Нужны были карты и прогнозы для недосягаемых ранее высот и условий, — рассказывает РП Иван Карпов, ведущий научный сотрудник ИЗМИРАН. — В первую очередь мы занимаемся измерением концентрации электронов в атмосфере Земли с помощью коротковолнового передатчика. Вертикально вверх излучается электромагнитная волна различной частоты и по отражениям устанавливается распределение электронов в верхней атмосфере.

Вообще, верхней атмосферой нашей планеты считается все, что выше 100 километров от поверхности Земли. На этих высотах «обитают» лишь космические аппараты. Но для того, чтобы они устойчиво летали, не ломались, и могли передавать полезную информацию на Землю — необходимо знать «космическую погоду». Ведь самый главный «негативный фактор» в работе спутников — солнечная радиация.

– Если спутник или зонд попадает в область жесткого излучения — меняются свойства материалов, прекращается стабильная работа электрических цепей. В итоге мы теряем аппарат и дорогостоящее оборудование. И таких примеров очень много. Были солнечные бури, которые выводили из строя до нескольких сотен аппаратов за один раз, — вспоминает ученый.

Ориентируясь на прогнозы ИЗМИРАН и других научных институтов, специалисты могут на время отключить космический аппарат, чтобы совершить определенные технологические процедуры для спасения техники.

– Предугадать поведение звезды очень сложно, — говорит Иван Карпов. — Но годы наблюдений позволили нам проработать несколько моделей ее поведения. Если на Солнце происходит что-то в оптическом диапазоне, то пока событие вместе с солнечным ветром дойдет до нас — в распоряжении будет лишь несколько часов.

Но земные станции оказываются не единственными. За Солнцем наблюдает достаточное количество спутников, часть их занимается изучением и измерением конкретных показателей: таких как магнитное поле и скорость солнечного ветра. Есть даже аппараты, работающие в точке либрации — такие своеобразные солнечные «патрульные». Но срок их жизни крайне короток.

Последние годы ученых всего мира привлекают ионосферные образования в атмосфере, формирующиеся перед землетрясениями. Они получили название «предвестников», и их появление говорит о месте эпицентра катаклизма.

– Когда в Калининграде было землетрясение, мы посмотрели на данные и действительно — датчиками были зафиксированы «предвестники» в ионосфере. То есть, если бы мы раньше обращали на это внимание, его можно было бы предсказать. Обычно повышенная концентрация электронов в атмосфере наблюдается за несколько дней. Но иногда от появления «предвестников» до катаклизма проходит несколько часов. И мы не знаем до сих пор, в чем особенности таких проявлений сейсмической активности, — рассказывают ученые.

О верхней атмосфере жители Земли знают крайне мало. Долгие годы считалось, что она способна меняться с периодом в несколько суток, месяцев или даже лет. Но сейчас специалисты уверены, что счет может идти на часы и минуты. А значит — все прошлые уравнения не смогут дать нам необходимой точности в расчетах.

– Мы можем с наибольшей вероятностью рассказать, что будет через месяц, два или три. Но что случится в ионосфере через 5 минут — мы не знаем, и для нас это проблема, — рассказывает Иван Карпов. — В середине 80-х годов был проект по созданию планетарной карты ионосферы — ее делали около одного месяца. Сегодняшний уровень технологий и наших знаний требует формировать такие карты каждые 15 минут. Это раньше, лет 20 назад, мы могли 486-м процессором обойтись, и ждать результаты по несколько дней. Сейчас все иначе, и в ход идет распределенное вычисление и суперкомпьютеры, выдающие обработанные данные в кратчайшие сроки.

Карты космической погоды обновляются ежедневно. Фото: Артемий Украинский / «Русская планета»

Основываясь на полученной информации за десятки лет наблюдений, ученые способны проводить моделирование предстоящих событий. Например, по солнечной активности можно предсказать те или иные события в ионосфере. Это будет не самый точный прогноз, но он, по заверению специалистов, «способен отработать». Однако если начнется геомагнитная буря, то такая модель окажется уже неактуальной.

Ионозонды — достаточно мощные инструменты для изучения верхней атмосферы, требующие значительных энергозатрат. Одна из причин их популярности сегодня — возможность точнейшего геопозиционирования, которое невозможно без идеальной связи с сателитами систем GPS и ГЛОНАСС.

Эти устройства для приема и передачи сигналов спутниковой навигации, к слову, также позволяют отслеживать состояние ионосферы. Например, в Японии таких станций в 1000 раз больше, чем в России.

– Все дело в понимании японцами важности отслеживания малейших активностей на Земле, — делится коллега Карпова, Максим Клименко, старший научный сотрудник ИЗМИРАН. — Из-за постоянной сейсмической угрозы, чуть ли не каждый квадратный километр этой страны привязан станцией к определенной точке на карте. Сдвиг плиты моментально отобразится на компьютере у оператора и позволит вовремя эвакуировать население из любой местности этой страны.

Такой способ сегодня выглядит даже более эффективным, чем поиск «предвестников», но он также требует и огромных денежных вложений.

– Любая задача по позиционированию хорошо решается только тогда, когда есть точные данные по ионосфере. Если вы ракету с боеголовкой в 100 килограммов запускаете, то разброс в 10-20 метров особой роли не сыграет. Другое дело посадить самолет на короткую незнакомую полосу ночью по приборам — и тут важен будет каждый метр, — утверждает ученый Иван Карпов. — Возьмем, к примеру, работу навигационного спутника. Процесс позиционирования, при идеальных условиях, должен завершиться на вашем устройстве через 30-50 секунд. Но возникшие помехи не дают это сделать — концентрация электронов в ионосфере выросла в 10 раз за считанные минуты. И задача позиционирования уже не решается, происходит в лучшем случае сбой. Может вам это сейчас и не важно, а если вы едете на автомобиле по указаниям навигатора?!

Еще одной важной задачей учреждений, подобных ИЗМИРАН, считается прогнозирование последствий возмущения магнитного поля Земли. Не в последнюю очередь связано это и с военными структурами. Их резервные каналы связи, хоть и надежны, но нуждаются в точности данных по ионосфере.

– Используемый КВ-диапазон наиболее подходит для передачи информации, в том числе и радиосвязи. Он позволяет связывать различные точки за тысячи километров друг от друга, вплоть до «кругосветки», — делится секретами один из сотрудников. — Нам всем нужна устойчивая связь с теми же самолетами. «Заглушить» спутник, при желании — как нечего делать. А вот «заглушить» сигнал с Земли — задача гораздо более сложная. Я даже не представляю себе, что необходимо, чтобы создать помехи во всей земной ионосфере.

– А мне вспоминается один документально зафиксированный случай из нового времени, — утверждает Максим Клименко. — В середине XVI века на Земле была одна из сильнейших нам магнитных бурь. Светилось все, вплоть до экваториальной зоны. Люди падали на колени в страхе, естественно, не имея ни малейшего представления об ионосфере, земном магнетизме и волнах. Они серьезно полагали, что пришел конец света.

С тех пор многое изменилось, и современная техника дает нам определенный запас прочности. Одно, по словам ученых, можно сказать сразу — большинство электросетей такого воздействия не выдержат. Рухнут энергосети в ЕС, США, Китае, Японии, России, не говоря уже о менее развитых странах.

– Параллельно с этим могут выйти из строя спутниковые системы, — подключается к разговору ведущий научный сотрудник ИЗМИРАН Иван Карпов. — Только представьте себе последствия отказа навигационных приборов, предположим, на 30 минут. Хотя бы в масштабах нашего города. Первое с чем мы столкнемся — заторы на дорогах и многочисленные аварии. Напряжение людей будет расти, и они захотят позвонить своим близким или знакомым. Произойдет перегрузка сети. И это всего лишь за несколько десятков минут. И потому мы должны ежедневно отслеживать все события на Земле и доступные нам в космосе. Чем больше мы соберем информации об окружающей среде — тем лучше. Ведь неизвестно в какой момент они могут пригодиться. Наука — это на 90% знания впрок.

ТЕГИ

поддержать проект

Для поднятия хорошего настроения, вы можете угостить наших редакторов чашечкой кофе

Маленькая чашка кофе