Окно в космос над Москвой

Обсерватория в Михнево работает с 1954 года. Сначала это была сейсмическая станция, теперь уникальная научная установка «Среднеширотный комплекс геофизических наблюдений “Михнево”» при Институте динамики геосфер имени академика М. А. Садовского (ИДГ) РАН.

Одно из направлений работы института — изучение ионосферы, и радиофизический комплекс обсерватории «Михнево» позволяет получать впечатляющие результаты в этой области. Об ионосферных исследованиях, проводимых в институте, и уникальном оборудовании, без которого они были бы невозможны, корреспонденту «Ъ-Науки» Елене Туевой рассказал заведующий лабораторией литосферно-ионосферных связей ИДГ РАН кандидат физико-математических наук Илья Ряховский.

— Я бы сначала хотел объяснить термин «космическая погода». Это совокупность динамических явлений на Солнце, непосредственно влияющих на околоземное пространство и нашу технологическую среду. К ее ключевым проявлениям относятся солнечные вспышки — мощнейшие выбросы электромагнитного излучения, корональные выбросы массы, которые «несут» облака плазмы, межпланетное магнитное поле, а также постоянно действующий солнечный ветер и космические лучи.

— Расскажите еще и про ионосферу.

— Ионосфера — это ионизированный слой земной атмосферы на высотах примерно от 60 до 1000 км, который играет ключевую роль в распространении радиоволн. Она формируется под воздействием солнечного излучения и неоднородна по своей структуре. Традиционно в ней выделяют несколько слоев — D, E и F, каждый из которых характеризуется специфической электронной концентрацией. D-слой ионосферы расположен на высотах 60–90 км и в норме имеет очень низкую концентрацию (10²–10³ эл/см³). Выше расположен E-слой (90–130 км с концентрациями 10⁴–10⁵ эл/см³), а над ним — F-слой (выше 130 км). Именно в F-слое, особенно в его верхней части F2, наблюдается пиковая электронная концентрация (до 10⁶ эл/см³ в дневное время), что делает его основным «зеркалом» для отражения коротких радиоволн на большие расстояния.

— И как на все это влияет «космическая погода»?

— Изменения этой концентрации под воздействием «космической погоды» приводят к значительным технологическим последствиям. Наиболее разрушительные последствия для ионосферы и, как следствие, работы систем связи, навигации и энергосетей несут два связанных, но не тождественных явления: солнечные вспышки и вызываемые ими геомагнитные бури. Важно подчеркнуть их сложную взаимосвязь: хотя магнитные бури часто инициируются вспышками и последующими выбросами плазмы, не каждая мощная вспышка приводит к буре на Земле. Яркий пример — события сентября 2017 года, когда серия рекордных вспышек X-класса сопровождалась выбросами массы, которые, к счастью, прошли мимо нашей планеты и не спровоцировали глобальную геомагнитную бурю.

Вспышка — это мощнейший взрыв на Солнце, который почти мгновенно (за 8–10 минут) посылает к Земле поток рентгеновских лучей. Они проникают глубоко в ионосферу, достигая D-области (60–90 км) и вызывая резкое увеличение ионизации. Это приводит к поглощению радиоволн, используемых для дальней связи. Если за вспышкой следует корональный выброс массы, то через один-три дня к Земле приходит облако солнечной плазмы. Взаимодействуя с магнитосферой планеты, оно вызывает геомагнитную бурю, которая может привести к глобальным нарушениям в структуре ионосферы — изменению ее плотности и возникновению крупномасштабных неоднородностей и возмущений. Данные явления могут нарушить работу спутниковой навигации (GPS/ГЛОНАСС) и создать помехи для высокочастотной радиосвязи.

Таким образом, космическая погода действует на ионосферу комплексно, радикально меняя высотный профиль концентрации свободных электронов. Солнечные вспышки резко увеличивают концентрацию в D-слое, вызывая поглощение радиоволн, в то время как геомагнитные бури кардинально перестраивают структуру F-слоя, что приводит к масштабным сбоям в навигации и связи.

— Какое практическое значение имеет концентрация электронов в ионосфере?

— Способность ионосферы отражать радиоволны напрямую зависит от концентрации свободных электронов. Для каждой конкретной концентрации существует так называемая критическая частота. Радиоволны, частота которых ниже этого значения, не могут пройти сквозь слой и отражаются обратно к Земле. Волны же с частотой выше критической (например, спутниковые сигналы) проходят сквозь ионосферу практически без помех. Таким образом, свободные электроны выступают в двойной роли: с одной стороны, они создают глобальное «зеркало» для радиосвязи, а с другой — их нестабильность является источником основных помех для современных технологий. Мониторинг и прогнозирование их концентрации — ключ к устойчивой работе всех систем, зависящих от радиоволн.

— Может ли вспышка на Солнце оставить без связи самолеты над океаном?

— Да, в первую очередь это касается связи на коротких волнах (КВ-диапазон от 3 до 30 МГц). Резко возросшая электронная концентрация в D-области начинает поглощать радиоволны, а не отражать их. Это явление называется «внезапное ионосферное возмущение» (SID). В результате сигналы КВ-связи «глохнут» и не могут достичь более высоких, отражающих слоев. Связь может прерваться на период от нескольких десятков минут до нескольких часов, пока ионосфера не восстановится. Это может оставить самолеты над удаленными регионами без голосовой связи и данных, передаваемых через КВ. Однако воздействие солнечных вспышек не столь критично для СДВ-радиосвязи (сверхдлинные волны, частота 3–30 кГц). В этом диапазоне частот практически не наблюдается пропадание сигналов, и, как ни парадоксально, на первом этапе вспышки амплитуда СДВ-сигнала часто не падает, а резко возрастает.

— А вызвать сбои в энергосетях?

— Что касается сбоев в энергосетях, напрямую воздействие солнечных вспышек здесь не критично. Основную опасность для энергосетей представляют не сами вспышки, а следующие за ними геомагнитные бури.

— Что такое спорадический слой Es?

— Это локальное, но чрезвычайно плотное скопление плазмы, спонтанно возникающее в E-слое ионосферы на высотах около 100–120 км. В отличие от обычных устойчивых слоев, он возникает спорадически (то есть эпизодически и локально), напоминая тонкое, но невероятно плотное «ионосферное облако» или «зеркало». Концентрации электронов в нем могут достигать 10⁶ эл/см. Es-слой невероятно тонкий. Его толщина обычно составляет от нескольких сотен метров до 2–3 км. В горизонтальной плоскости Es-слой, наоборот, может быть довольно большим. Его размеры варьируются от десятков до нескольких сотен километров в диаметре.

— Как он влияет на жизнь землян?

— Появление Es-слоя может иметь как положительные, так и отрицательные эффекты. Наличие слоя с высокой концентрацией электронов может работать как «радиозеркало», существенно усиливая радиосигнал в УКВ-диапазоне (ультракороткие волны, частота 30–300 МГц), и в то же время Es-слой может неожиданно отражать сигналы, которые в норме должны уходить в космос. Это приводит к серьезным помехам.

— Что позволяет изучать концентрацию электронов в ионосфере?

— На сегодняшний момент радиофизические методы (класс методов, использующих радиоволны в качестве зондирующего элемента) по праву считаются наиболее эффективным и комплексным способом исследования ионосферы, поскольку они позволяют осуществлять дистанционное зондирование ее параметров в глобальном масштабе и в режиме реального времени. В отличие от локальных и эпизодических измерений с помощью ракет или спутников, такие методы, как вертикальное и наклонное зондирование, мониторинг сигналов ГНСС (спутниковая система навигации) и СДВ-диапазона, а также радиолокация радарами некогерентного рассеяния, предоставляют непрерывную информацию о критических частотах, полном электронном содержании (ПЭС) ионосферы, высотах ионосферных слоев и профиле электронной концентрации. Возможность отслеживать динамичные процессы — от воздействия солнечных вспышек до развития магнитных бурь — делает радиофизические подходы незаменимыми как для фундаментального изучения физики околоземной плазмы, так и для прикладных задач обеспечения спутниковой связи, навигации и прогнозирования космической погоды.

— Какое оборудование обсерватории «Михнево» дает возможность проводить эти измерения?

— В обсерватории «Михнево» для комплексного исследования динамических процессов, происходящих в различных слоях ионосферы, используется уникальный набор радиофизических инструментов, каждый из которых играет свою роль в создании целостной картины.

КВ-приемники позволяют в реальном времени мониторить условия распространения радиоволн, анализируя сигналы удаленных станций. По характеру их прохождения и замираний можно судить о состоянии F-слоя ионосферы, его критической частоте и наличии крупномасштабных возмущений, таких как магнитные бури.

СДВ-приемник регистрирует сигналы, которые распространяются в глобальном волноводе «Земля—ионосфера» и являются основным инструментом для диагностики D-области ионосферы.

Ведется также мониторинг параметров шумановских и альфвеновских резонансов, который позволяет отслеживать глобальную грозовую активность и изучать низкочастотные волновые процессы в системе «Земля—ионосфера».

Наконец, геодезические ГНСС-приемники измеряют искажения сигналов глобальных навигационных спутниковых систем (GPS/ГЛОНАСС) при прохождении через ионосферную плазму, что позволяет с высочайшей точностью вычислять полное электронное содержание ионосферы (ПЭС) и отслеживать в реальном времени развитие ионосферных возмущений.

— А как вы изучаете магнитное поле Земли?

— С 2023 года на территории Михнево действует одноименная геомагнитная обсерватория, которая осуществляет непрерывную высокоточную регистрацию компонент магнитного поля Земли. Получаемые данные позволяют проводить количественную оценку уровня геомагнитной возмущенности и объективно классифицировать интенсивность магнитных бурь, что составляет основу для исследований в области солнечно-земной физики.

— Значит, благодаря «Михнево» вы можете применять комплексный подход к изучению процессов, проходящих в ионосфере?

— Использование этих методов позволяет получать уникальные данные о состоянии всей толщи ионосферы и анализировать ее отклик на воздействия как снизу (метеорологические процессы, грозы), так и сверху (солнечные вспышки, геомагнитные бури).

— Какой слой труднее всего изучать?

— На мой взгляд, наиболее сложен для изучения D-слой ионосферы из-за своей уникальной природы и физической недоступности. Он находится на высотах 60–90 км, которые являются недоступными для традиционных средств измерений: слишком низко для стабильной работы спутников и слишком высоко для подъема метеозондов, что делает возможными лишь редкие и кратковременные прямые замеры с помощью геофизических ракет. А его низкая электронная плотность делает его «полупрозрачным» для большинства радиоволн, которые проходят сквозь него, почти не взаимодействуя, в то время как собственное свечение слоя слишком слабое для прямого наблюдения с Земли. Наконец, его физика осложнена сильным влиянием нейтральной атмосферы и сложными плазмохимическими процессами, что в совокупности заставляет ученых полагаться на сложные косвенные методы диагностики, такие как анализ распространения СДВ-радиоволн.

— Как же вы проводите измерения в этой области?

— Наша исследовательская группа как раз и специализируется на исследовании состояния и динамики нижней ионосферы с использованием СДВ. Ключевое преимущество этого метода заключается в уникальных физических свойствах СДВ-диапазона: эти радиоволны, способные огибать Землю, распространяются на многие тысячи километров с минимальным затуханием. По всему миру развернута сеть стабильных передатчиков, работающих в этом диапазоне, что позволяет нам в геофизической обсерватории «Михнево» принимать их сигналы, например, из Австралии или Америки. Исследование вариаций этих сигналов служит эффективным инструментом для диагностики состояния ионосферы и динамики нижней ионосферы (D-области).

— Как это работает?

— Во время мощных солнечных вспышек резкий рост потока рентгеновского и ультрафиолетового излучения приводит к росту электронной концентрации во всей ионосфере и, как следствие, к значительным вариациям амплитуды и фазы СДВ-сигналов от глобальных передатчиков. Последующий анализ этих искажений позволяет нам с высокой точностью восстановить вертикальный профиль электронной концентрации в нижней ионосфере и оценить степень воздействия солнечной вспышки. Результаты наших исследований, опубликованные в ведущих научных изданиях, внесли значительный вклад в понимание процессов, происходящих в нижней ионосфере во время различных гелиогеофизических возмущений.

— Какие ключевые научные результаты были получены с помощью уникального многочастотного комплекса аппаратуры обсерватории «Михнево» в области диагностики ионосферы и мониторинга космической погоды?

— Радиофизический комплекс «Михнево» позволяет не просто наблюдать за процессами в разных слоях ионосферы по отдельности, но и анализировать их взаимосвязь. Так, совместная обработка данных от СДВ- и ГНСС-приемников показала, что во время солнечных вспышек вклад D-области в общее приращение полного электронного содержания (ПЭС) может доходить до 20%. Кроме того, на основе экспериментальных данных СДВ-диапазона впервые удалось количественно оценить скорости ионизации и рекомбинации в нижней ионосфере. Получаемые с помощью комплекса данные также легли в основу новых эмпирических моделей ионосферы и успешно используются для проверки существующих плазмохимических моделей.

— А воздействие магнитных бурь на ионосферу вы тоже изучаете?

— Безусловно. Использование всего радиофизического комплекса «Михнево» позволяет нам проводить детальные исследования воздействия магнитных бурь на состояние и динамику всех слоев ионосферы. Причем каждый инструмент вносит свой вклад. Такой комплексный подход позволяет не только фиксировать изменения, но и анализировать физические механизмы воздействия.

— Вы можете прогнозировать солнечные вспышки и магнитные бури?

— Мы не занимаемся прогнозированием самих солнечных вспышек — это принципиально невозможно, поскольку их воздействие достигает Земли со скоростью света, оставляя нулевое время на предупреждение. Прогноз магнитных бурь, вызываемых корональными выбросами массы, несколько более реален благодаря спутниковым мониторинговым системам (таким как ACE и SDO), которые позволяют отслеживать движение плазменных облаков за 1–3 дня до их достижения Земли.

— Какова цель ваших исследований?

— Наша фундаментальная задача состоит в том, чтобы исследовать последствия гелиогеофизических возмущений на ионосферу. Проводя ретроспективный анализ накопленных данных с нашего радиофизического комплекса, мы выявляем физические механизмы и количественные закономерности этих воздействий. Эта работа создает основу для будущих моделей, способных не предсказывать сами события, но прогнозировать их конкретные последствия для ионосферы. Именно этой работой (детальным анализом и моделированием последствий) наша лаборатория и занимается.

— Достаточно ли данных для такого анализа накоплено в обсерватории «Михнево»?

— Нет, данных только обсерватории «Михнево» недостаточно, необходимы сетевые измерения. Мы используем данные глобальных сетей ГНСС-приемников и ЛЧМ-зондов (ЛЧМ — линейная частотная модуляция.— Е. Т.), а также создаем собственную российскую сеть СДВ-мониторинга. На сегодня наши СДВ-приемники установлены не только в Михнево, но и в Калининградском филиале ИЗМИРАН, и мы планируем дальнейшее расширение сети. Для этого наша лаборатория разрабатывает собственные СДВ-приемники. Создание такой распределенной системы измерений позволит существенно продвинуться в понимании ионосферных процессов во время гелиогеофизических возмущений, что и является нашей ключевой целью.

Елена Туева