На юге Иркутской области построят нагревный стенд – научную установку, напоминающую легендарный американский проект HAARP. Называться он будет ИКАР-АИ. Проект отправляется на государственную экспертизу, ввод в эксплуатацию намечен на 2030 год. Что собираются нагревать, почему наш ИКАР-АИ все-таки не HAARP (а даже лучше), и не испортят ли ученые своими опытами окончательно погоду и климат, рассказал KP.RU заместитель директора по научно-исследовательской работе Института солнечно-земной физики Сибирского отделения РАН Роман Васильев.
ВОЛШЕБНОЕ ЗЕРКАЛО У НАС НАД ГОЛОВОЙ
Над нашими головами, на высоте от 70 км и выше, расположен слой заряженных частиц. Он называется ионосфера. Его обнаружили случайно. В 1920-х годах люди были без ума от новой игрушки – радио. Диапазон, который мы сегодня называем «короткие волны», отдали любителям. Считалось, что по таким волнам разве что с соседним городом свяжешься. Длинные волны огибают Землю, и именно на них Гульельмо Маркони впервые телеграфировал в Америку. А короткие вверх, в космос, идут, и все. Связь в пределах прямой видимости.
Внезапно любители сообщили: да мы вообще-то со всей планетой общаемся. Как так? Тут-то и поняли, что над Землей расположено как бы «зеркало», от него и отражаются радиоволны. Чтобы попасть из Европы в Америку, сигнал может несколько раз отразиться. Земля – «зеркало», опять Земля – опять «зеркало». И так, «по траектории зубьев пилы», и движется.
Из чего же может такое зеркало состоять? Конечно, из заряженных частиц. Нейтральные-то радиосигнала не заметят. А откуда они берутся? Вот Солнце, оно посылает в нашу сторону не только видимый свет, но и, например, ультрафиолет. Фотоны ультрафиолета обладают значительной энергией. Ее достаточно, чтобы оторвать часть электронов от «атомов воздуха». Получаем электроны отдельно, отрицательные частицы, «голые» атомы отдельно, положительные частицы. Вот вам и заряженная среда!
ЗАГАДОЧНАЯ СРЕДА
Сегодня мы знаем об ионосфере неизмеримо больше. Например, что она состоит из нескольких слоев, простирается на тысячу километров прочь от Земли, а состав этого «слоеного пирога» постоянно меняется. Вот заходит Солнце, одни слои ослабевают (нет подпитки ультрафиолетом – атомы захватывают свои электроны и становятся нейтральными), зато открываются другие, более высокие. В результате полностью меняется характер радиосвязи. Скажем, если днем на средних волнах вы не услышите ничего (вещание в этом диапазоне в России прекратили в начале 2010-х), то с закатом приемник начинает слышать весь мир.
И несть числа исследованиям, какова роль ионосферы, зачем она природе нужна, влияет ли на климат, о чем, кстати, ведутся бесконечные споры. Регулярно публикуются ионограммы – графики, как расположены слои, и часто звонит один исследователь другому, «посмотри на ионограмму, я такого не припомню». А неспециалист смотрит, какие-то кривые, и что бы они значили?
Изучать ионосферу сложно (для спутников низковато, для шаров и самолетов высоковато), и вот, среди (весьма небогатой) палитры исследовательских методов появилась одна идея. Посылать туда мощные, направленные радиолучи и смотреть, что будет. «Нагревать».
Почему закавычили? Потому, что не с грелкой же туда лезем. Да и понятие температуры для столь разреженных сред условно. Если судить по скорости движения частиц, там сотни градусов. А отправляйся туда, да выходи в открытый люк. Ледышкой станешь.
Радиоволны попадают в ионосферу и начинают раскачивать заряженные частицы. Как волны раскачивают щепки на воде. Частицы берут от радиоволн энергию, их скорость растет, идет «нагрев». А ученые смотрят, что происходит. Проект HAARP на Аляске не был первым, но он определенно самый известный. И что высмотрели? И почему столько шума вокруг этой деятельности? А вот сейчас и узнаем.
ЦЕЛОЕ ПОЛЕ АНТЕНН
Комплекс ИКАР-АИ (иркутская коротковолновая антенная решетка с активными излучателями) расположится севернее Иркутска, в «вотчине» Института солнечно-земной физики СО РАН. Если вы ждете, что «космическая» антенна должна быть в форме «спутниковой тарелки», только громадная, вы будете удивлены. Вообще не похоже.
Фото: Институт солнечно-земной физики СО РАН
Перед нами (пока мысленно – стройка еще не началась) антенное поле размером 700 на 700 метров. На нем 60 мачт, каждая «ощетинились» резонаторами. Это первая очередь, ИКАР-АИ – модульный, можно будет достраивать еще.
ИКАР-АИ работает на частотах 2,5-6 мегагерц. Это нижний диапазон коротких волн (для сравнения, свое обычное радио вы слушаете в диапазоне примерно от 80 до 100 мегагерц). Такие частоты соответствуют довольно длинным волнам (хотя они исторически и называются «короткими»), и это хорошо для зондирования ионосферы. Но какой должна быть антенна? Чтобы антенне эффективно работать, ее размеры должны быть сопоставимы с длиной волны, физику не обманешь. Тарелка километровая получится. Оптимальный выход – подобные антенные решетки.
Читатели постарше помнят, что похожее антенное поле в 1970-е годы часто мелькало в СМИ. Под Харьковом располагался декаметровый (длина волны – десятки метров) радиотелескоп, и о нем регулярно писали.
Антенное поле посылает сигнал, причем конструкция ИКАР-АИ позволяет отправлять энергию не только в зенит, но и под разными углами. Мощность около 900 МВт, чудовищно много для любительской станции (любители работают на единицах ватт), немало и для коммерческой радиостанции, но не так много для исследовательского проекта.
Ладно, с «железом» разобрались. Зачем это все?
НАРУШИТЬ РАВНОВЕСИЕ
- Воздействие мощными радиоволнами позволяет проводить почти контролируемые эксперименты с ионосферной плазмой, - объясняет Роман Васильев.
Это очень важное замечание: ахиллесова пята физиков, изучающих масштабные процессы – невозможность поставить эксперимент. Взять астрономов: они не могут потолкать астероиды и охладить звезды, им остается только наблюдать. Здесь есть возможность проводить опыты, то есть вести себя активно.
- Энергия радиоволн частично отражается, а частично передаётся электронам ионосферной плазмы. Энергичные (или «разогретые», поэтому и говорят, «нагревный стенд») электроны перераспределяются в пространстве, формируя вытянутые вдоль геомагнитного поля области немного пониженной или повышенной концентрации плазмы, или вертикальные периодические структуры вариаций концентрации, нарушают локальное плазменно-химическое равновесие, через соударения "подогревают" ионы и нейтральный газ верхней атмосферы. Это приводит к генерации плазменных волн и возникновению вторичного радиоизлучения из "разогретой" области, локальным вариациям геомагнитного поля, нарушению хода плазменно-химических реакций и генерации оптического излучения, - объясняет Роман Васильев.
Иными словами, плазма (а ионосфера это и есть плазма) в ответ на возмущение немного светится и в радиодиапазоне, и даже в оптическом.
- Регистрируя диагностическим средствами, и исследуя особенности этих вариаций геомагнитного поля, искусственного оптического и радиоизлучения можно понять их фундаментальную природу, создать более точные физико-математические модели этих явлений. В итоге, например, понять особенности транспорта энергии от возмущённой во время геомагнитных бурь ионосферы к нейтральной компоненте. Добавляя к нагревному стенду дополнительную диагностику в виде радара некогерентного рассеяния и лидара (лидар – лазерный «радар» - КП), как это и планируется сделать в Национальном гелиогеофизическом комплексе РАН, можно будет ещё более полно и точно проводить такого рода фундаментальные исследования, - говорит Роман Васильев.
Итак, цель понятна: потыкать плазму «палочкой», и посмотреть, что будет. Так мы лучше поймем ее поведение во время тех же магнитных бурь. А это очень важно, и не только для науки, но и для вас, страдающих во время геомагнитных штормов. Избавить вас от головной боли, наверное, так просто не получится, но изучать-то надо.
Кстати о головной боли. У проекта HAARP в массовых СМИ – ужасная репутация. Поговорим об этом.
ЧЕЛОВЕК СЛАБ
И главный вопрос: ИКАР-АИ – это копия HAARP, или нет?
- Назвать проект российским HAARP можно, но не стоит. Это не повтор, это шаг дальше. По мощности ниже, но по гибкости управления должен быть выше. Географическое положение разное, спектр научных задач будет немного другой. Диагностические возможности богаче, поэтому рассматривать надо не как отдельный инструмент, а именно в составе НГК РАН, - говорит Роман Васильев.
Хочется спросить главное, природу-то не испортим такими опытами? Но даже не знаю, с чего начать. Столько про HAARP написано на разных блогах и форумах. Это «климатическое оружие», раз. Провоцирует землетрясения, два. Головы болят, суставы сводит – три. Набираю в грудь воздуха, и спрашиваю максимально общо: вы, наверное, все это читали, что скажете?
- Подробно, в "многочисленные околонаучные теории" не вникал, - говорит Роман Васильев, - Так что сложно что-то говорить на эту тему. Влиять на погоду нагревный стенд не может.
И вот почему:
- Воздействие нагревным стендом локальное, в области с площадью около порядка сотни квадратных километров. В этой области параметры "изменённой" ионосферы будут отличатся от параметров фоновой ионосферы на величины не более 10%, а скорее всего намного меньше. Относительно всей ионосферы Земли, это воздействие будет очень слабым. В миллиарды и даже больше раз слабее того воздействия, которое Солнце оказывает на ионосферу днём. И уж точно в миллионы раз слабее того воздействия, которое оказывают геомагнитные бури круглосуточно.
Из-за Солнца, магнитных бурь, обычной (фоновой) динамики нейтральной атмосферы, и в силу собственных движений ионосфера очень изменчива, отмечает Роман Васильев:
- Эффекты воздействия, расходясь от локальной области, на которой они возникли, будут ослабевать очень быстро и сливаться с естественными вариациями. В тысяче километров от области воздействия ионосфера уже не будет "знать", что на неё воздействовали. Поскольку ускорение электронов и локальное изменение концентрации плазмы такое же, которое происходит под действием мощных радиоволн, может быть вызвано и естественными причинами, то катастрофические каскадные процессы, если бы такие существовали, запускались бы и от естественных причин. Если мы их не наблюдали, за почти столетнюю историю ионосферных исследований, то скорее всего их не существует.
Иными словами, в очередной раз переоценивает себя человек. Может, 900 мегаватт для нас и много, а для природы ничто. Есть и другие причины, почему нагрев ионосферы над установкой погоды не испортит, и главная: а кто сказал, что ионосфера вообще как-то влияет на ветры и дожди? Да, пишут об этом много, но все ведь гипотезы (а то и домыслы). На тех высотах атмосфера разрежена так, как и в лаборатории не всегда получить, и непонятно, каким образом, через что верхние слои атмосферы передадут некое возмущение нижним.
Другое дело, радиосигналы. Скажем, от сторонних радиостанций. Они, конечно, «заметят» проведение опытов. А может, даже получится искусственная магнитная буря! Но очень небольшая:
- Есть научные результаты, которые говорят, что при воздействии на ионосферу косвенно происходит воздействие на магнитосферу и оттуда начинают высыпаться частицы, и даже может произойти запуск суббури (явление в высоких широтах во время геомагнитных бурь сопровождающееся интенсификацией полярных сияний), но эти результаты трудно воспроизвести, то есть они возникают нестабильно, не всегда. Ну и наконец явления эти опять-таки локальны, а значит, теряются на глобальном фоне, - говорит Роман Васильев.
У СКАЗКИ СВОЯ ЛОГИКА
Понятно, что мы не убедили тех, кто верит, будто нагревные стенды – источник мирового зла. У теорий заговора своя логика, которая лежит в плоскости скорее не рационального знания, а некоторых внутренних правил (так устроены, кстати, и мифы). Вы бы удивились, если бы в сказке Змей Горыныч оказался добрым. «Горынычем» в теориях заговора выступают ионосферные стенды, и ничего с этим не поделаешь.
А всем остальным, наверное, было интересно, как все это устроено. Комплекс задуман незаурядный, и даже с перспективной превращения в радиообсерваторию, говорит Роман Васильев:
- Радиоастрономические исследования можно будет проводить, если использовать передающие антенны как приёмные и добавить аппаратуру, регистрирующую космическое излучение. Или работать на просвет через ионосферу на частотах выше критической. Это вопросы дальнейшего развития, которые будут решаться после или в процессе строительства. Конечно, такого рода устройство создаётся, чтобы на нём смогло работать как можно больше научных групп. Поэтому в будущем, когда проект успешно заработает, обязательно возникнут коллаборации учёных, в том числе эксплуатирующих другие наземные и спутниковые средства, для совместных исследований на стенде в составе НГК РАН.
Внимательный читатель обратил внимание, что на частотах 2-6 мегагерц из космоса ничего не услышишь, атмосфера непрозрачна. Мешает как раз то самое «зеркало», о котором мы все это время и говорим. Но, как следует из слов Романа Васильева, частоты можно и повышать, уходя в «прозрачное окно». А там много чего интересного. От солнечных бурь до загадочных всплесков из системы Юпитер-Ио. Спутник Юпитера, крошечный Ио умудряется генерировать такие шумы, что иногда их ловят на бытовые приемники. И все это очень плохо изучено.
Так что пожелаем успеха новому амбициозному российскому проекту.
СПРАВКА «КП»
Что такое HAARP
Расшифровывается как «Высокочастотная активная авроральная исследовательская программа». Строительство началось в 1993 году, проект оценивается в 300 миллионов долларов. Выбор Аляски объясняется отчасти научными (рядом с авроральным овалом, то есть зоной полярных сияний), отчасти политическими (привлечение инвестиций в регион) соображениями. Мощность на пике составила 4 тыс. мегаватт. Принцип работы примерно как у ИКАР-АИ. В специализированной научной прессе можно найти свидетельства влияния HAARP на ионосферу далеко от него (например, на российском Дальнем Востоке). Вопреки общему мнению, проект не является секретным. В настоящее время частично заморожен. В теориях заговора утверждается, что система в состоянии провоцировать землетрясения, статистика не подтверждает.
КСТАТИ
Где еще есть такие установки
Их мало – не каждая страна может позволить себе создание и поддержание нагревных стендов. «Младшим братом» HAARР называют объект в Линдау, Германия. Часто упоминается стенд в Норвегии. В самой России давно и успешно работает установка Сура в Нижегородской области, недавно ее модернизировали.
ВАЖНО
Что такое Национальный гелиогеофизический комплекс
Первый этап проекта НГК РАН (http://ngkran.ru) включал в себя строительство комплекса оптических инструментов в поселке Торы (Бурятия), многоволнового радиогелиографа в поселке Бадары (Бурятия) и проектирование 3-метрового солнечного телескопа-коронографа.
Вторая - строительство лидара и комплекса радаров на Малом море (местность Харикта), нагревного стенда под Ангарском (Одинск) и центра обработки данных (Иркутск). Научный руководитель НГК РАН - академик РАН Гелий Жеребцов, финансирует проект Министерство науки и высшего образования РФ.
Автор: Евгений АРСЮХИН
Заглавное фото: Shutterstock
