Прогноз космической погоды

Спутники «Ионосфера-М» — первые с начала 1990-х годов специализированные российские космические аппараты для наблюдений ионосферы и влияния солнечной активности на Землю. Самой свежей информацией об этом проекте на XXI конференции «Физика плазмы в Солнечной системе» поделился директор Института космических исследований (ИКИ) РАН Анатолий Петрукович. 

«Мы впервые за 30 лет реализовали российский проект мониторинга ионосферы и солнечной активности и имеем не только мониторинговые результаты, но и очень хорошие результаты на мировом уровне по многим позициям, которые позволят нам существенно продвинуть наши знания ионосферы, особенно в новых условиях. Уже за 30 лет и атмосфера изменилась, просела, охладилась верхняя атмосфера, и геомагнитный полюс изменил свое положение, переместившись от Канады через Северный Ледовитый океан поближе к России, поэтому ожидаем существенную новизну в результатах», — отметил руководитель института.

Директор Института космических исследований (ИКИ) РАН Анатолий Петрукович

Алексей Таранин

Группировка спутников «Ионосфера» состоит из четырех аппаратов. Они расположены на двух солнечно-синхронных орбитах с плоскостями 3‒15 и 9‒21 часов местного времени. На каждой из орбит спутники раздвинуты на 180 градусов по широте. Такие одновременные измерения однотипными приборами в разных точках пространства позволяют получить «объемную» картину процессов в ионосфере Земли и отслеживать их развитие и в пространстве, и во времени. Подобная система создана впервые в мире.

В состав оборудования входят приборы, которые помогают измерять характеристики ионосферы на разной высоте от Земли, с использованием различных физических принципов измерений. Важнейший — ионозонд ЛАЭРТ. Его задача — «просвечивать» ионосферу с помощью радиоволн в диапазоне от 0,1 до 20 мегагерц и таким образом зондировать высоту максимума концентрации электронов, обычно расположенного «под спутником». Подобные исследования проводили в Советском Союзе, но в современной России именно ЛАЭРТ стал первым космическом ионозондом.

На двух аппаратах работают спектрометры для измерения количества озона и диоксида азота в атмосфере. Это фактически первый за многие годы отечественный эксперимент, который позволяет оценить состояние озонового слоя.

«Сейчас проект генерирует ежедневно 60 гигабайт информации. Это очень много. Несколько сбросов в день идет на три пункта Росгидромета. Впервые, по крайней мере в моей практике, проект не имеет ограничений на режимы работы приборов. Мы включаем просто самый высокоинформативный режим 24/7 и в нем работаем. Это очень удобно, потому что нет никаких компромиссов между различными приборами, все работает в оптимальном режиме», — рассказал Анатолий Петрукович.

Для правильной интерпретации результатов бортовых измерений необходим комплексный подход с использованием данных наземных обсерваторий. К проекту привлечены 16 российских академических и университетских институтов. Они проводят экспериментальные исследования и разрабатывают теоретические модели ионосферных процессов.

Макет КА «Ионосфера-М»

Т.Жаркова, ИКИ РАН

Там, где много ионов и электронов

Ионосфера — одна из оболочек вокруг Земли (вместе с магнитосферой и атмосферой), которая располагается между верхней границей нейтральной атмосферы на высоте 50 км и высотой порядка 2000 км над поверхностью нашей планеты. Большинство токов, возникающих в результате повышенной солнечной и геомагнитной активности, замыкаются в ионосфере. Ее главная особенность — наличие значительного количества заряженных частиц (электронов и ионов), а главная характеристика — концентрация свободных электронов, которая определяет воздействие ионосферы, в частности, на связь и прохождение радиосигналов со спутников.

«Ионосфера — это та среда, благодаря которой распространяются радиоволны. Она же и мешает их распространению в случае магнитных бурь, возмущений, генерации неоднородностей и так далее. Поэтому исследуют и условия распространения, и те состояния ионосферы, которые могут быть причиной различных неприятностей. Если раньше, например во время Великой Отечественной войны, связь осуществлялась в основном на коротких волнах, то сейчас используются диапазоны гораздо более высоких частот, это уже гигагерцы. Но тем не менее неоднородности ионосферы, которые появляются во время геомагнитных бурь и даже в обычных условиях в высоких широтах, в экваториальной ионосфере, приводят к срыву связи и сигналов навигации», — рассказал «Стимулу» главный конструктор ионозонда ЛАЭРТ, главный научный сотрудник ИКИ РАН, доктор физико-математических наук Сергей Пулинец.

Ионозонд способен зондировать ионосферу на разных высотах и представлять результаты в виде высотного профиля. Это единственный инструмент, который дает достаточно полное знание о вертикальной структуре ионосферы.

Излучая короткие радиоимпульсы в широком диапазоне частот, он регистрирует отраженные от ионосферы сигналы, причем отражение происходит в точке, в которой частота свободных колебаний электронов (зависящая от их концентрации на данной высоте) равна частоте зондирующего радиоимпульса. Измеряя длительность задержки между временем излучения импульса и получением отраженного сигнала, можно определить высоту отражения, а по частоте отраженного импульса — концентрацию электронов на этой высоте. Свою историю ионозонды ведут с 30-х годов прошлого столетия, когда были проведены первые эксперименты зондирования ионосферы с поверхности Земли.

«Сейчас на Земле существует сеть таких ионозондов, их данные обрабатывают соответствующие геофизические службы. У Росгидромета 13 приборов, когда-то было около 20. Для территории России это мизер. По всему миру их около сотни. Но все равно этого очень мало, и они получают информацию только о нижней половине ионосферы», — говорит эксперт.

Главный научный сотрудник ИКИ РАН Сергей Пулинец

Пресс-служба ИКИ РАН

Когда такой же ионозонд устанавливается на спутник, он позволяет получить вертикальное распределение электронной концентрации в верхней части ионосферы, то есть от высоты орбиты спутника до максимума, пока ионосфера отражает радиоволны.

Первые спутниковые ионозонды появились в 1962 году (канадско-американский спутник Alouette, в переводе — «Жаворонок»). В Советском Союзе первый ионозонд был установлен на спутнике «Космос-381» (запуск в 1970 году). Весьма успешно работал ионозонд на борту спутника «Интеркосмос-19» (1979 год) — это первая комплексная лаборатория с ионозондом на борту. Потом был запущен спутник «Космос-1809» (1987 год), изготовленный по заказу советской гидрометеорологической службы. Он должен был стать первым спутником группировки аппаратов, предназначенных для регулярного глобального мониторинга ионосферы. К сожалению, ионозонд на борту спутника проработал не так долго, как планировалось, хотя остальные приборы успешно функционировали еще шесть лет и был получен богатый материал по локальным параметрам ионосферной плазмы.

Схема работы аппаратов проекта «Ионозонд»

iki.cosmos.ru

Отследить космическую погоду

Как уже отмечалось, главная сфера человеческой деятельности, которая напрямую зависит от ионосферы, — это связь. В России официально вся связь строится на государственном стандарте. Измеряются параметры ионосферы в различных условиях (днем, ночью, при высокой солнечной активности, при низкой солнечной активности и так далее). На этих измерениях и основан стандарт, которым должны пользоваться различные ведомства и предприятия. Последний раз он был разработан в 1990 году и с тех пор не менялся.

Но околоземное пространство за это время стало совсем другим. Точно так же, как мы замечаем изменения климата (меняется длительность осени, лето то холоднее, то жарче, сейчас необычно суровая зима), меняется и окружающее космическое пространство, наблюдается движение геомагнитных полюсов.

«Почему сейчас видят полярные сияния и в Москве, и в более южных городах? Потому что северный магнитный полюс сдвинулся от региона Канады, и через Северный Ледовитый океан он перемещается по направлению к России. А авроральный овал, вокруг которого генерируется полярное сияние, центрируется вокруг геомагнитного полюса. Вся эта полоса сияния сдвигается на юг, поэтому мы сейчас видим эти сияния чаще, чем в предыдущие годы», — поясняет Сергей Пулинец.

Перемещение геомагнитного полюса отражает процесс изменения геомагнитного поля Земли. Так называемая Южно-Атлантическая геомагнитная аномалия тоже за последние десятки лет сильно сдвинулась из области Атлантического океана. И бразильцы уже говорят: «Давайте ее называть не Южно-Атлантической, а Бразильской аномалией, потому что ее центр сейчас находится на территории Бразилии, а не Атлантического океана».

Таких факторов очень много, существуют даже антропогенные. Все они медленно, но неуклонно меняются, и это влияет на конечные параметры, которые важны для расчетов в области связи.

Между тем до появления проекта «Ионозонд» весь мониторинг ионосферы проводился с помощью сигналов глобальных навигационных спутниковых систем GNSS (это GPS в США, ГЛОНАСС в России, Baidoo в Китае, Galileo в Европе, есть еще разновидности разных мелких сетей), которые позволяют рассчитать полное электронное содержание.

Полное электронное содержание (TEC, Total Electron Content) — это общее количество электронов, интегрированное между двумя точками вдоль трубки квадратного сечения в один метр, то есть плотность электронного столбика. Но эта информация не дает знаний о внутренней структуре ионосферы, которая также важна, ведь сигналы распространяются и внутри ионосферы, в том числе навигационные. Есть у этого метода и другие недостатки.

«Все эти системы GNSS, орбиты этих спутников имеют низкое наклонение, — поясняет Сергей Пулинец. — Зарубежные — порядка 55 градусов, ГЛОНАСС — 63 градуса. Но даже российской системе далеко до 90 градусов. А для того, чтобы параметры ионосферы были более или менее правильными, измеряют вертикальное полное электронное содержание. Но когда орбита имеет низкое наклонение, на полюсе сигнал пронизывает полярную ионосферу под очень низкими углами, и в результате расчеты делаются с очень грубым приближением».

Кроме того, в высокоширотной, авроральной ионосфере помимо магнитных бурь существует очень много возмущений, связанных с высыпаниями электронов из радиационных поясов, и там генерируются разного рода неоднородности, которые приводят к возмущению сигналов навигационных сетей.

«А наш спутник на каждом витке пролетает прямо над полюсом, его наклонение — 97 градусов, мы видим эти неоднородности и напрямую измеряем электронную концентрацию и ее быстрые вариации над высокими широтами. И так над каждой точкой Земли ионозонд ЛАЭРТ последовательно движется по частотам, измеряет время задержки импульсов, определяет высоту, и на этой высоте по частоте мы определяем, какая была электронная концентрация. Строится так называемый профиль электронных концентраций, и, совмещая с наземными измерениями, мы имеем полный профиль, который говорит нам о структуре ионосферы. Основная задача проекта — получить глобальное распределение этой электронной концентрации. Мы получаем очень ценную информацию, которую невозможно добыть никакими другими методами», — поясняет Сергей Пулинец.

В результате ученые смогут построить трехмерную модель ионосферы Земли, это необходимо для повышения качества и радиолокации, и дальней радиосвязи. Но на то, чтобы создать полноценную модель, учитывающую все изменения ионосферы, нужны десятилетия.

Просто построить трехмерную структуру можно быстро. Спутник наберет несколько витков, и дней за десять она будет готова. Но все дело в том, что ионосфера очень сильно меняется в течение суток, от сезона к сезону, зависит от солнечной активности, существуют различия ионосферных вариаций между Северным и Южным полушариями.

«Все это нужно видеть в динамике, и именно такая многоспутниковая система позволяет эту динамику отследить, — поясняет Сергей Пулинец. — Кроме того, необходимо, чтобы система существовала достаточно долгое время, потому что ионосфера меняется еще и в цикле солнечной активности, а этот цикл — 11 лет. И для создания реальной трехмерной модели нужно все это исследовать в течение цикла солнечной активности. Гарантийный срок на спутники — пять лет, и мы боремся за продолжение существования такой системы. Метеорологические спутники “Метеор” — возобновляемые, то есть один сошел с орбиты — запускают новый. И мы хотим, чтобы “Метеоры” непрерывно занимались атмосферной погодой, а наша система так же непрерывно отвечала за космическую погоду».