Оскільки радіохвилі керують життям на планеті...

Щоб досліджувати іоносферні ефекти, учені вмикають станції всього світу одночасно, найчастіше у рівнодення, сонцестояння, під час запусків ракет, супутників, ракетоносіїв

Мета – відновити нагрівний стенд у Змієві

Інститут іоносфери НАН і МОН України створено на базі діючої з 1963 року науково-дослідної лабораторії кафедри «Радіоелектроніка» Національного технічного університету «Харківський політехнічний інститут». Перші експериментальні дані були отримані в 1972 році.

Інститут іоносфери – унікальний експериментальний центр, який 2001 року визнано науковим об'єктом, що є національним надбанням України.

Ще 1950 року на кафедрі теоретичних основ радіотехніки ХПІ, яку в 1951–1956 роках очолював видатний радянський учений С. Брауде, розпочалися роботи зі створення служби іоносферних спостережень.

У 1963-му на полігоні поблизу міста Зміїв створили унікальну, єдину в Радянському Союзі експериментальну базу з еталонними науковими інструментами для дослідження впливу потужного короткохвильового радіовипромінювання на іоносферу, за допомогою яких можна було дослідити іоносферу практично над усією територією країни. Інститут іоносфери створено 1991 року завдяки зусиллям і ентузіазму доктора фізико-математичних наук, професора В. Тарана. Нині інститутом і науковими дослідженнями керує доктор технічних наук, професор І. Домнін.

Осягнути закони природи й дістатися найпотаємнішого – неписане правило, за яким живе сучасний науковець. Щороку людина занурюється дедалі глибше в надра Землі й прагне чимдалі дослідити галактичні простори. Хтось очікує, що їхні мешканці самі завітають до нас. Хтось хоче збудувати якусь станцію, котра узагалі переверне світогляд людини. Усі тільки й говорять про швейцарський адронний колайдер.., проте вже давно забули, що під Москвою і досі є тунель недобудованого колись радянського пристрою такого типу.

«Що це?» – запитуємо ми. «Це нормальні дослідження, які люди повинні проводити задля вивчення природи й суті речей, що відбуваються навкруги», – відповідає директор Інституту іоносфери Національної академії наук України та Міністерства освіти і науки Ігор Домнін. «Що ми сьогодні знаємо про атмосферу? Здається, багато, та все одно замало. Попри величезний прогрес у дослідженні геокосмосу тропосферно-стратосферно-іоносферні зв’язки також недостатньо вивчені. А розуміти, наприклад, чому в Україні цьогоріч була така засуха, чому тануть полярні шапки, маємо сьогодні нагальну потребу. Чи це звичайний циклічний хід (адже в природі все відбувається циклічно), чи це якісь незрозумілі впливи ззовні? На жаль, ми можемо обговорювати ці питання лише в пресі, адже фактичної інформації немає і жоден учений на цю тему не висловиться зі стовідсотковою впевненістю, просто не має необхідної інформації. Щоб її здобути, потрібно досліджувати зв’язки між різними шарами атмосфери, тому що тропосфера, стратосфера й іоносфера мають відмінні за своїм висотним розташуванням зв’язки і по-різному впливають на природу за неоднакового енергетичного наповнення. Над цим якраз і працює Інститут іоносфери», – підсумовує Ігор Домнін.

Тема механізмів упливу на іоносферу в усіх країнах майже закрита, й цією інформацією ніхто не ділиться

Справді, зародившись для прикладних досліджень, наразі Інститут здійснює дослідження фундаментальні, тобто саме й збагачує знання людини про навколишнє середовище, атмосферу, магнітосферу, вплив сонячних спалахів і сонячного вітру на зовнішні оболонки Землі, а також про те, як землетруси й старти ракет впливають на верхню атмосферу. Такі фундаментальні дослідження надзвичайно важливі для наукових кіл не лише нашої країни, а й усього світу. Сьогодні роботи по цій лінії практично проводять у США та Європі. Дещо меншою мірою – в Росії та Україні. Проте станції, приміром, у Норвегії (EISCAT) та на Алясці (HAARP) працюють фактично за полярним колом, досліджуючи іоносферу дещо іншого складу та властивостей, ніж та, що існує над Європейським континентом у середніх широтах. «Саме над вивченням середньоширотної іоносфери, яка не має осьової симетрії, ми працюємо протягом більш ніж двох 11-річних циклів сонячної активності. Останні два роки намагаємося відродити експерименти з модифікації іоносферної плазми потужним короткохвильовим випромінюванням, що в 1980-ті роки проводилися в інституті», – зазначає заступник директора Інституту іоносфери з наукової роботи Дмитро Дзюбанов.

«Наразі настав такий етап досліджень, на якому пасивне спостереження відійшло в минуле і виникло бажання управляти, аби глибше зрозуміти процес. Нині в усьому світі такі дослідження спрямовані на активний вплив. Ми працюємо і в інтересах екології, і в інтересах безпеки, виконуємо деякі оборонні завдання, ставимо експерименти для сільського господарства, – зазначає Ігор Домнін. – Так склалося, що на території колишнього СРСР наша Іоносферна обсерваторія (дослідницький підрозділ інституту) за комплектацією взагалі єдина. Проте в Росії, як і в США, позитивом є наявність добрих нагрівних стендів (антен, що впливають на іоносферу), які працюють і понині. Така само антена була і в Інституті іоносфери. Її збудували у 1980-х роках, однак через деякі конструктивні недоліки з часом виникла потреба модернізації антени. Її розпочали на початку
2000-х. Нині цілковито відновити роботу антени не маємо змоги через відсутність фінансування. Робота справді виконується, але кошти, які вкладають, наприклад, США у розвиток цього напряму, аж ніяк не сумірні з тим, що можемо вкласти в цю галузь ми. А це потрібно, адже зазначений науковий напрям є абсолютним ексклюзивом: лише в обсерваторії під Змієвим, незважаючи на те, що іоносферу досліджують й інші структури, проводяться вимірювання параметрів іоносфери радарним методом некогерентного розсіяння радіохвиль. У світі подібних радарів загалом вісім. Тому основне, чого нам не вистачає, – це діючий нагрівний стенд для впливу на іоносферу. І його бракує всім. Так, у вересні 2010 року на зустрічі європейських дослідників іоносфери в Петербурзі, в якій брали участь учені нашого інституту, науковці Європи виявили велику зацікавленість до відновлення нагрівного стенда в Україні. А в грудні цьогоріч до нас приїде делегація з Норвегії, з представниками якої ми й обговорюватимемо цю проблему. Звичайно, за час свого розвитку інститут налагодив досить тісні контакти з Науково-дослідним радіофізичним інститутом із Нижнього Новгорода, який має схожий нагрівний стенд. По лінії досліджень середньоширотної іоносфери контактуємо з ученими Массачусетського університету. З нашими колегами здійснюємо узгоджені планові роботи з дослідження іоносфери, накопичуємо аналітичні дані, проводимо семінари. Але цього замало. Тема механізмів упливу на іоносферу в усіх країнах майже закрита, й цією інформацією ніхто не ділиться. Робота з Росією, наприклад, – позитивний момент, але завжди є точка, в якій інтереси РФ стикаються з інтересами України. І тут не можна сподіватися, що ми отримаємо необмежений доступ до можливостей проведення експериментів і самі зможемо поділитися всіма даними, які маємо. А для держави це важливо».

Управління іоносферою – це безпека держави і людства

Ідеться про дослідження широкого плану, проте фактично це управління іоносферою. Одним із найважливіших його моментів є управління проходженням крізь іоносферу радіохвиль. Оскільки радіохвилі керують життям на планеті (сигналами, обміном даними, передаванням інформації), то управління іоносферою, з одного боку, – це забезпечення стабільного проходження, а з другого – створення можливостей для заборони проходження радіохвиль. І один із аспектів цього процесу – безпека держави. Його суть у тому, щоб не допустити, наприклад, управління сторонніми літальними апаратами над територією України. За допомогою імпульсів, які подає нагрівний стенд, можна заглушити сигнали керування літальними об’єктами, варіюючи параметри іоносфери – зробити її «мутнішою», змінити концентрацію частинок, їхню температуру, частоту зіткнень між ними, штучно генеруючи неоднорідності. «Якщо порівнювати іоносферу з водою, то ці неоднорідності нагадують бульби (англійською – bubbles), які заважають радіохвилям поширюватися так, як це зазвичай відбувається в однорідному середовищі. Тобто, коли радіохвиля потрапляє в іоносферне середовище, наповнене такими «бульбами», вона починає змінювати свою траєкторію або розсіюватися, що створює завади чи то для радіозв’язку, чи то для радіолокації, адже радар, котрий здійснює контроль за польотом, наприклад, ракети, в такому разі фіксує її політ як переміщення якогось об’єкта на зразок літака. Потужна радіохвиля може змінити параметри середовища на шляху слідування супутника, після чого той може просто втратити орієнтацію у просторі. Цим самим спрощується розв’язання проблем, пов’язаних із протиракетною обороною й іншими завданнями військової сфери», – зазначає Дмитро Дзюбанов.

Увесь світ працює в цьому напрямі вже протягом 50 років. Свого часу в СРСР роботи в іоносфері мали винятково військове спрямування. За радянських часів існував навіть окремий напрям загоризонтної радіолокації, за допомогою якої можна було відстежувати ефект відбивання від іоносфери. Наприклад, маємо надзвичайно потужний радіолокатор, який випромінює імпульс, що, своєю чергою, відбивається від іоносфери, потім від Землі, потім знову від іоносфери і частинами доходить до ракетних полігонів США, на інший бік планети. Якщо там стартує ракета, то за його параметрами можна визначити, що вона злетіла. Ця система в СРСР мала назву «Дуга». Їх було загалом три: одна система була розташована під Миколаєвом, друга – під Чорнобилем, а третя – в Комсомольську-на-Амурі. Ці установки були частково дослідними, а частково виконували бойові функції (особливо та, що розташовувалася під Чорнобилем). Під час роботи антен передавалися потужні імпульси, подібні до стукоту дятла («російський дятел»), призначені для виявлення літаючих ракет. «Ми мали до цього віддалений стосунок: щоб грамотно обрати параметри випромінювання, аби промінь загоризонтної радіолокації дістався саме тієї точки, яку хочемо побачити за горизонтом, – пояснює Д. Дзюбанов, – потрібно мати всі дані про іоносферу (так званий віддзеркалюючий шар) на всій ділянці атмосфери. Ми могли надати цю інформацію (але тільки про Європейський континент, до полярних широт) і вибудувати потрібну модель іоносфери. Наразі ж здійснюємо подібні дослідження уже не для військових, а суто для наукових, цивільних цілей».

«Stalkers» розбили табір, дістали пристрої нічного бачення, спеціальні відеокамери, альпіністське спорядження, аби тільки залізти на антену і зробити нічні знімки

Інститут проводить роботи з виявлення пусків ракет, обрахування створюваних ними ефектів, відстеження землетрусів тощо. Все це здійснити дає можливість обладнання дослідно-експериментальної бази Інституту іоносфери – Іоносферної обсерваторії. У «величній» мережі Інтернет її фото частенько містяться на сайтах типу «Сім чудес колишнього СРСР» або «Покинуті технічні дива Радянського Союзу». «Оглянути обсерваторію щорічно приїжджають і так звані stalkers, – розповідає заступник директора Інституту, завідувач Іоносферної лабораторії Володимир Краснокутський. – Ось нещодавно завітала група майже із 30 осіб. Розбили табір, дістали пристрої нічного бачення, спеціальні відеокамери, альпіністське спорядження, аби тільки залізти на антену і зробити нічні знімки».

Об’єктом зацікавленості сучасних «шукачів пригод» є два радари некогерентного розсіяння, які розташовані на території обсерваторії, – повноповоротна антена діаметром 25 метрів (обертається під кутом 360° у горизонтальній і 90° у вертикальній площинах) та нерухома антена діаметром 100 метрів, спрямована в зеніт. Ця антена за розміром друга в світі. Найбільша – на базі Аресібо (острів Пуерто-Ріко): її діаметр становить 300 метрів. «Проте, якщо вже бути абсолютно точними, то вона має сферичну форму, – розповідає Володимир Краснокутський, – поверхня ж нашої антени – параболічна, що дає нам право говорити про неї як про першу в світі за розміром серед параболічних конструкцій».

До речі, радар некогерентного розсіяння – це комплекс, що складається з радіопередавального пристрою, фідерного тракту (надсилає високочастотну енергію з радіопередавальних пристроїв до антени) та антени. Оскільки антена працює в імпульсному режимі, вгору вона випромінює імпульс, який розсіюється іоносферою, а після того, як передавачі закриваються, розсіяний імпульс потрапляє на ту саму антену. Із неї сигнал знімається радіоприймачами, а потім подається до центру обробки сигналів. Прийняті сигнали записуються на носії інформації, після чого спеціалісти обсерваторії та вчені інституту обробляють їх, збирають статистичну інформацію, що як наслідок дає їм можливість робити висновки про ті чи інші параметри іоносфери (про концентрацію частинок, їхню температуру, іонний склад тощо). Зокрема, якщо десь на космодромі стартує ракета, своїм рухом вона створює збурення в іоносфері, хвилі від яких можуть доходити до радарів, а спеціалісти, у свою чергу, реєструючи зміни параметрів іоносфери, можуть визначати, що деінде відбувся ракетний старт.

Іоносферна обсерваторія призначена для дослідження іоносфери методом некогерентного розсіювання радіохвиль. Іоносфера являє собою іонізовану верхню частину атмосфери, яка розпочинається на висоті 60–80 кілометрів і простягається на декілька тисяч кілометрів у висоту. Своїми дослідженнями станція охоплює діапазон висот приблизно від 120 до 1500 кілометрів. Потужність 100-метрової антени становить 2 МВт в імпульсі, а безперервна потужність передавача – 150 кВт. У принципі, цю конструкцію можна порівняти з машинним відділенням корабля, а не з простим передавачем, який стоїть десь на столі.

Електромагнітна енергія, яку виробляють радіопередавачі, спрямовується до антени через спеціальні хвилеводи, з’єднані безпосередньо з антенами. Цим же шляхом розсіяний сигнал повертається до високочутливого приймача. Приймач розташований прямо під антеною, щоб скоротити шлях для досить-таки слабкого сигналу. Адже хоча антена й випромінює імпульс потужністю у 2 МВт, він розсіюється в іоносфері і до землі повертається вже розсіяний сигнал інтенсивністю на рівні космічних шумів. За характеристиками розсіяного сигналу (потужністю, шириною та формою спектра) можна визначити, якими є параметри іоносфери. Зважаючи на те, що звідти розсіяний сигнал повертається, відбившись від об’єму плазми в 2,5 тис. куб. км, його інтенсивність є неспівставною з відбиттям від монети на відстані в декілька сотень кілометрів.

Антени вмикаються в разі потреби, адже вони використовують занадто багато енергії. Наприклад, потужність увімкненої 100-метрової антени становить майже 500 кВт, тому кожна година її роботи коштує в середньому 500 гривень. Ідеальним уважається ввімкнення антени з частотою у дві доби на місяць. Проте дослідники намагаються працювати за Міжнародним геофізичним календарем. При Міжнародному радіосоюзі існує окрема Координаційна рада, яка розробляє спеціальні річні календарі для станцій некогерентного розсіяння. Тож учені можуть обмінюватися здобутими результатами, адже в календарях визначаються дати, коли всі станції мають працювати за певною програмою з дослідження конкретних ефектів в іоносфері. Як правило, це дні рівнодення, сонцестояння, запуск якихось потужних ракет, супутників, ракетоносіїв.

Антена, що приймає сигнал з місяцеходу, потребує реанімації

До нашого відвідання стометрова антена працювала з 21 по 24 вересня 2010 року. Повноповоротна антена потребує термінової «реанімації», аби її можна було увімкнути за першою вимогою: її фарбують, повертають, на неї подають потужні імпульси передавачів, приймають сигнали. Тобто наразі вона перебуває в режимі випробувань. Повноповоротну антену привезено до обсерваторії з-під Сак. «Її збудували спеціально для передачі сигналу на місяцехід і управління ним. Під Саками ж залишилась антена, яка мала приймати сигнал з місяцеходу. Там же, до речі, знаходиться місцевість, на якій проводили випробування космічного апарата приблизно у 1964–65 роках», – згадує завідувач сектору Іоносферної обсерваторії Станіслав Черняєв.

Завдяки наявним засобам діагностування ще за радянських часів на базі обсерваторії вдалося побудувати нагрівний стенд – спеціальну установку для збурювання іоносфери за допомогою потужних радіохвиль. Під час експериментів здійснювався вплив на іоносферу на частоті випромінювання, нижчій від критичної частоти (близько 5 МГц), що зумовлювало появу резонансних ефектів, а також генерацію штучних іоносферних неоднорідностей, тобто фактично змінювалася локальна концентрація іоносфери.

Схожих установок, які працюють одночасно з розташованими поряд радарами некогерентного розсіяння, у світі налічується лише три: в Америці (Аресібо), Скандинавії і в нас, у Змієві. Вони складаються з передавачів та антенного поля. Передавачі підключаються до антен і надсилають потужне короткохвильове випромінювання в атмосферу, чим і створюють іоносферні збурювання.

Наразі антенне поле Іоносферної обсерваторії площею 9 гектарів тимчасово демонтоване, адже було вирішено змінити застарілі полотна й покращити характеристики нагрівного стенда. На його місці залишилися опори та фідерні системи (системи живлення) відкритого типу. Спеціальні передавачі сигналу для цих антен (виробництва «Дніпровський машзавод», до речі) законсервовано, проте завдяки зусиллям невеликого колективу обсерваторії вони готові до роботи будь-якої миті. Потужність передавача в імпульсному режимі – 250 кВт, у безперервному режимі – 150 кВт. Щойно антенне поле буде відновлено, їх можна вмикати й проводити широкомасштабні вимірювання.

«Фактично основним завданням залишається відновлення нагрівного стенда. Для цього є вся структура – передавачі, нагрівне поле, збудоване багато років тому, опори. Проте немає антен. Потенціал Харкова дає змогу зробити все це на місці. Тут є профільні конструкторські інститути, з якими ми співпрацюємо й які готові виконати для нас цю роботу, є також структури, готові змонтувати все у найкоротший термін. Тобто нагрівний стенд можна ввести в дію й розпочати активні дослідження», – констатує директор інституту Ігор Домнін.

Підготовку кадрів для Інституту іоносфери здійснює кафедра радіоелектроніки НТУ «ХПІ», де готують спеціалістів за двома напрямами – прикладна фізика та комп’ютерна інженерія.

Колись для обробки даних в обсерваторії використовували величезні обчислювальні машини, для яких було виділено окрему будівлю. Тепер там буде організовано музей інституту, адже зібрано велику кількість раритетного устаткування, радіоприймачів, плакатів. У ньому планують виставити радіолампи, осцилографічні трубки, антенний комутатор і багато інших приладів, наприклад, ЕОМ, котра замість сучасної «мишки» використовувала електронне перо, яким можна було «ловити» зображення чи пересувати точки на екрані. А тепер увесь зал, виділений для неї і обслуговуючих пристроїв, – це просто стаціонарний комп’ютер.

«Усі іоносферні обчислення вже давно здійснено, й самі механізми впливу певною мірою описано, проте переважно суто теоретично, – зауважує Ігор Домнін. – Наявні нагрівні стенди будували з розрахунку справляння впливу на конкретну область іоносфери, до того ж їх випромінювання вимірювалося частками відсотків від загальної енергетики цієї області. За допомогою спеціальних механізмів можна описати, що ж має відбутися в результаті такого впливу, а експеримент має показати – відбувається чи ні».

Сама іоносфера має набагато більшу енергетику порівняно з тією енергією, яка вноситься ззовні. У теорії, якщо чогось не розрахувати, можна очікувати різних ефектів, проте для будь-якого з них існують свої «спускові механізми», які до того ж для введення їх у дію потребують аж надто великих затрат енергії (такий обсяг енергії можна вивільнити хіба що шляхом підриву атомної бомби).

«Звичайно, можна говорити про певне «вторгнення», проте все визначається мірою такого втручання, його доцільністю чи недоцільністю. Іоносфера являє собою унікальну природну лабораторію, де немає проблем створення та утримання плазми. Ефекти впливу потужних радіохвиль на іоносферу досить шкидко релаксують і середовище знову відновлює свої властивості. Результати є безцінними. Тут варто говорити про питання здорового глузду, про нормально розвинену державу, яка за цим стежитиме, – ось і все», – підсумовує Дмитро Дзюбанов.

Наші ж експерименти, хоча й призводять до зміни параметрів середовища, є найменш небезпечними

«Що стосується побічних ефектів, то, звичайно, під час своєї роботи такі потужні установки створюють перешкоди для телебачення, радіозв’язку, інших хвиль, поширених в атмосфері. Проте їхній уплив на навколишнє середовище незрівнянно менший, аніж, приміром, уплив на нього космічних об’єктів, що засмічують атмосферу уламками ракет, паливом, спалюють атмосферний кисень тощо. Наші експерименти, хоча й призводять до зміни параметрів середовища, є найменш небезпечними, адже відразу після припинення безпосереднього експерименту іоносфера повертається до свого початкового стану, тобто якихось довготривалих ефектів упливу на неї, на відміну від багатьох інших наукових парафій, ми не створюємо», – додає вчений секретар Інституту іоносфери Михайло Ляшенко.

Уплив станції на людський організм досліджується і нині. У найпримітивнішому сенсі організм людини на 80 відсотків складається з води, яка є не просто рідиною, а соляним розчином. І кров, і лімфа солоні, а отже, є добрими провідниками. Тому будь-які зміни магнітного чи електричного полів можуть викликати в організмі появу додаткових струмів різної потужності. Якщо в навколишньому середовищі відбуваються якісь зміни, різко зменшується чи збільшується сила електричного та магнітного полів, коливання таких параметрів упливають на різні електродинамічні процеси в організмі, що, своєю чергою, може відбиватися на психіці, роботі серця. Адже різким імпульсом можна викликати порушення серцевої, нервової діяльності (спричинити почуття страху, переживання), бо фактично це і є втручання у складні електричні процеси, які природно тривають в організмі людини.

Іоносфера Землі, розповідає Дмитро Дзюбанов, пронизана геомагнітним полем. Коли під дією якогось упливу починаються рухи іоносфери, магнітне поле може рухатися разом з нею, можуть виникати пульсації геомагнітного поля тощо, проте таких глобальних змін, які виникають під час магнітних бур, бути не може. Це вже спостерігалося й зареєстровано вченими, наприклад, на Сурі. Тому щодо впливу цих змін на здоров’я людини маємо поки що лише гіпотези, які потребують вивчення і підтвердження.

«За такими розробками – майбутнє. Відновлення нагрівного стенда у Змієві стане для України величезним поштовхом у розвитку досліджень такого ґатунку, розвіявши «крамолу чуток» щодо вивчення іоносфери, – підсумовує Ігор Домнін. – Якщо проект фінансуватиметься, можна буде говорити про щось предметно, а не просто мріяти. Тому працюватимемо, проводитимемо дослідження, розвиватимемо контакти, аби ці слова не були просто порожнім звуком».

Автор: Юлія ЦИРФА