Российские ученые готовятся воздействовать мощным излучением на ионосферу и вызвать полярное сияние

По сообщению Минобрнауки России, на днях проект нагревного стенда, который собираются построить недалеко от города Ангарска, получил положительное заключение госэкспертизы. Говорится, что стенд в составе НКГ РАН станет уникальной российской научной установкой средних широт для управляемых экспериментов по модификации ионосферы.

— Роман Валерьевич, расскажите, что будет представляет из себя установка и для чего нужно с ее помощью модифицировать ионосферу?

– На поле размером с два футбольных мы планируем установить 200 железобетонных опор высотой 40 метров. На их вершинах мы разместим 200 специальных антенн, которые будут способны отправлять вверх узкий пучок коротких радиоволн. Эффективная мощность сжатого луча будет достигать 500 - 1500 МВт. Поглощаясь высоко в ионосфере Земли, луч вызовет ее нагрев и возмущение. Все это будут фиксировать наземные устройства.

Теперь о том, зачем нужна подобная модификация. Напомню, что ионосфера – это верхний слой атмосферы, который влияет на распространение радиоволн, и в конечном итоге определяет для нас, землян, возможность устраивать радиосвязь и радиолокацию, – пользуемся ли мы наземными средствами, спутниковыми устройствами, коротковолновой или другими видами техники. Естественно, если ионосфера помогает нам держать связь друг с другом, разные ее состояния могут и ухудшать эту связь, правильно? Поэтому эксперименты по модификации ионосферы позволят нам понять, как будут нарушаться условия радиосвязи в различных условиях. То есть, мы ставим управляемый эксперимент, модифицируя, изменяя ионосферу, чтобы изучить все ее состояния.

— От чего возникают модификации ионосферы в природе?

– Ионосфера наиболее подвержена влиянию снаружи, из космоса, окружающего Землю. И самое сильное влияние оказывает ближайшая к нам звезда — Солнце.

– Каким образом?

– Во-первых, Солнце льёт просто невообразимый поток энергии к нам на Землю — полтора киловатта на метр, из-за которого, собственно говоря, и возможна жизнь на нашей планете. Однако помимо этого мощного потока есть, скажем так, чуть более слабый, но более изменчивый поток жёсткого ультрафиолета, рентгена, солнечной плазмы, который тоже течет от Солнца и меняется в соответствии со вспышками и другими процессами на нем. Все эти явления сильно влияют на верхние слои атмосферы, изменяя ее свойства. В нашем случае нагревный стенд нужен для воспроизведения влияния подобных явлений на верхнюю атмосферу с Земли, причем, в почти контролируемых условиях.

– Что кроме Солнца может влиять на ионосферу?

Сама нижняя атмосфера может влиять. Ведь она сама по себе представляет такую же нестационарную оболочку, которая периодически бывает возмущенной от изменения погоды, циклонов, атмосферных фронтов. Всё это генерирует в атмосфере волновые процессы, которые переносят энергию этих возмущений нижней атмосферы в верхнюю, включая ионосферу.

– А земные электростанции, транспорт, самолеты могут влиять на ионосферу?

– Конечно, это все влияет, но в меньшей степени. По сравнению с силой естественных природных явлений их влияние почти несущественно.

– Тот луч, который вы собираетесь посылать к ионосфере с Земли, будет оказывать большее воздействие?

Там следующая особенность: плотность потока от нагревной установки будет очень большой, но она сконцентрируется в очень малой области пространства, – площадью от 10 до 100 квадратных километров. Иными словами, влияние нагревного стенда будет очень локальным, на фоне природных процессов оно будет просто ничтожно малым. Но нам этого «зонда» будет достаточно для того, чтобы моделировать то, что происходит с ионосферой во время солнечных воздействий, как они влияют на связь. Сами последствия, конечно, известны, но неизвестен до конца сам процесс и то, можно ли, и как можно на него влиять.

– Перечислите самые распространенные негативные результаты изменения ионосферы на жизнь жителей Земли.

— Начнем с прошлого века, когда у нас еще не было спутниковой связи. Человечество, чтобы связать двух удалённых абонентов, использовало только коротковолновую радиосвязь. Испускаемая радиоволна от одного абонента поднималась вверх, а затем отражаясь от ионосферы, опускалась вниз, – и так происходило несколько раз, пока она не добиралась через большие тысячекилометровые расстояния. Если ионосфера, к примеру, в результате вспышки на Солнце, меняла свои характеристики, то эта коротковолновая связь могла нарушаться.

Сейчас у нас есть спутники для того, чтобы передавать информацию, используя радиоволны. По всему земному шару протянуты волоконно-оптические кабели, по которым передается информация. Влияние солнечных вспышек на эти кабели минимизировано, но спутники все же еще подвержены мощным колебаниям плотности верхней атмосферы и ионосферы, которые тормозят спутники, снижая их ресурс, и искажают каналы связи. Мы изучаем, как это происходит, можно ли как-то воздействовать на плазму ионосферы, чтобы изменить ее.

Но помимо всего прочего, мы будем исследовать и какие-то более фундаментальные вещи. К примеру, процесс передачи энергии от ионосферы к нейтральной атмосфере и обратно, какие нас ждут последствия такого нагрева, как будет влиять на это химический состав верхней атмосферы. Возьмем к примеру, всеми обсуждаемую проблему нагрева атмосферы вследствие накопления в ней углекислого газа. Пока точно не известно, человек влияет на изменение газового состава, или это делает сама планета. Но тем не менее этот факт присутствует, – химический состав нашей атмосферы меняется. Чем это обернется в будущем?

– Есть какие-то прогнозы на этот счет?

Накопление CO2 уже меняет верхнюю атмосферу, причем, обнаружено, что она становится холоднее. К этому приводит свойство углекислого газа конвертировать энергию тепла в инфракрасное излучение, которое в гораздо менее плотных слоях верхней атмосферы (по сравнению с нижней) уходит в космос. Исследуя особенности физико-химических процессов верхней атмосферы, в том числе с помощью нагревного стенда, можно понять, как этот процесс будет идти в дальнейшем.

– Чем отличается ваша установка от существующих подобных установок в Нижегородской области, от американского стенда HAARP?

В настоящее время на всём земном шаре у человечества есть три подобных установки. Одна находится на Аляске (тот самый HAARP – High Frequency Active Auroral Research Program «Программа исследования активных высокочастотных явлений в полярных сияниях»), другая – в Европе, и ещё одна — в Нижегородской области, в России. Зарубежные оснащены наиболее полным набором диагностического оборудования, у нашей – не такой широкий спектр. Но тот стенд, который мы создаём в рамках НГК РАН превзойдет все существующие аналоги. Научный руководитель ИСЗФ СО РАН, академик РАН Гелий Александрович Жеребцов еще в 2010-х годах предложил сделать существенную модернизацию аппаратной базы для исследования солнечно-земной физики в России – НГК РАН. Реализуя эту идею, сейчас мы создаём комплекс для наблюдения за Солнцем, за верхней атмосферой, за ионосферой при помощи солнечного телескопа, радара, радиогелиографа, набора малых геофизических инструментов. Что касается непосредственно нагревного стенда, мы будем наблюдать область воздействия на ионосферу с помощью самого полного набора оптических и радиофизических инструментов. Одновременно будет работать лидар, исследующий термосферу, радар некогерентного рассеяния и другие устройства, диагностирующие характеристики ионосферы, нейтральной атмосферы, геомагнитного поля. Все эти сведения и эксперименты по одновременному наблюдению и воздействию на ионосферу будут координироваться единым центром сбора и обработки информации, который тоже будет построен в рамках этого проекта. Ну и апофеозом всего этого действа станет суммирование полученных результатов, их координация в суперкомпьютере с последующим моделированием будущих процессов в верхней атмосфере.

– К чему в итоге хотелось бы прийти?

Оценить возможность искусственного изменения физических параметров верхней атмосферы плотности, температуры, динамики, свойств ионосферной плазмы. С практической точки зрения было бы полезно понять как могут изменяться физико-химический энергетический баланс верхней атмосферы и влияние этого процесса на условия распространения радиоволн или более точных оценок торможения низкоорбитальных искусственных спутников Земли.

– А управлять природными процессами при помощи таких установок не получится?

— Как я уже говорил, область воздействия слишком мала, для того, чтобы оказывать существенное воздействие на верхнюю атмосферу и ионосферу. Максимум на что мы можем рассчитывать, это на генерацию искусственного радиоизлучения и оптического свечения не очень большой интенсивности, генерацию слабых волновых процессов в ионосфере и малых вариаций геомагнитного поля. Причём эти явления будут очень быстро ослабевать на фоне естественных вариаций среды по мере удаления от области воздействия. В настоящее время есть сведения, что работа нагревных стендов запускает триггерные механизмы для развития суббурь и высыпания частиц из магнитосферы. Было бы очень интересно повторить такие исследования.

— Суббуря – это...

— Это возникающие в ходе глобальной магнитной бури сильные локальные вариации геомагнитного поля, сопровождающиеся высыпанием частиц и полярными сияниями.

— На первые испытания стенда пригласите?

— Конечно, но, думаю, они состоятся не раньше 2030 года.