Полет ИКАРа : cуперантенну для изучения космической погоды построят в России

Российские ученые разработали проект нагревного стенда — антенного комплекса для воздействия на ионосферу Земли мощным радиоизлучением. Установку разместят на юге Иркутской области, где сконцентрированы другие масштабные инструменты для астрофизических исследований. С помощью стенда ученые смогут моделировать космическую погоду, производить радиоастрономические наблюдения объектов Солнечной системы и дальнего космоса и исследовать сейсмическую активность земной коры. Проект находится на этапе госэкспертизы. Ввод установки в эксплуатацию намечен на 2030 год.

Для чего нагревают ионосферу

Ученые из Института солнечно-земной физики СО РАН разработали проект нового радиофизического комплекса ИКАР-АИ, который относится к классу нагревных стендов. Так называют научные мегаустановки, предназначеные для воздействия на ионосферу (верхний слой атмосферы), сильным радиоизлучением. Нагревные стенды помогают исследователям понять свойства этой области пространства, а также то, какое влияние на него оказывает космическая погода.

Как объяснили разработчики, комплекс представляет собой огромную суперантенну — антенное поле, размещенное на 60 мачтах на территории 700 на 700 м. Объект построят в Восточной Сибири вблизи Иркутска. Он войдет в число научных объектов класса «мегасайенс» Национального гелиогеофизического комплекса Российской академии наук. В настоящее время проект ИКАР-АИ направлен на государственную экспертизу. Как ожидают специалисты, новый стенд введут в эксплуатацию в 2030 году.

— Эффективная мощность комплекса составит порядка 900 МВт. Он будет генерировать радиоволны в диапазоне от 2,5 до 6,0 МГц. Такое излучение эффективно передает энергию электронам ионосферной плазмы. При этом частично происходит отражение волн, а частично энергия рассеивается в верхней атмосфере. Этот процесс называют нагревом плазмы, — рассказал «Известиям» заместитель директора по научно-исследовательской работе ИСЗФ СО РАН Роман Васильев.

Он добавил, что в результате рассеяния происходит перераспределение концентрации плазмы в пространстве и возникает ряд плазменных и плазменно-химических явлений. В том числе ученые получают возможность создавать искусственные возмущения ионосферы и моделировать ее свойства.

По словам ученого, ионосфера играет ключевую роль в распространении радиоволн, спутниковой связи и навигации. При этом она подвержена влиянию солнечной активности и других космических факторов, из-за чего возникают геомагнитные бури и сбои в работе радиосвязи и спутниковых систем. Модификация ионосферы с помощью мощного коротковолнового излучения позволяет изучать ее свойства в контролируемых условиях. Таким образом, нагревные стенды помогают лучше понять процессы в верхних слоях атмосферы и разработать методы прогнозирования космической погоды.

Какие нагревные стенды действуют в мире

Роман Васильев уточнил, что сейчас в мире функционируют три нагревных стенда. За рубежом это полярный EISCAT-Heating в Северной Норвегии и приполярный HAARP в США, на Аляске. Их эффективная мощность — 1,2 ГВт и 3,6 ГВт соответственно. В то же время, в России действует среднеднеширотная установка «СУРА» в Нижегородской области. После недавней модернизации ее мощность составила около 600 МВт.

Как пояснил специалист, стенд, который построят в Восточной Сибири, получил название ИКАР-АИ — иркутская коротковолновая антенная решетка с активными излучателями. Последние два слова в наименовании отражают, что каждый элемент антенной решетки оснащен собственным передатчиком. При этом все они синхронно работают под управлением единого вычислительного центра, определяющего характеристики излучения всего устройства.

— Благодаря такой конфигурации нагревный стенд сможет направлять излучение не только вверх, но и с отклонением от вертикали до 30 градусов в любом направлении. Это даст возможность более гибко воздействовать на ионосферу. Кроме того, активные элементы позволят выполнять несколько исследований одновременно, — сообщил Роман Васильев.

Он добавил, что уникальность иркутского стенда в том, что на нем можно решать стоящие перед исследователями задачи в достаточно спокойных и стабильных геомагнитных условиях, которые присущи верхним слоям атмосферы в средних широтах. Еще одна особенность установки — в модульной конструкции. На первом этапе антенная сеть будет размещена на 60 мачтах, но в дальнейшем ее можно наращивать практически без ограничений.

Помимо этого, объяснил ученый, в составе Национального гелиогеофизического комплекса стенд будет окружен набором уникальных диагностических инструментов, которые предназначены для исследования физики природных явлений на Солнце, на Земле и в околоземном космическом пространстве. Это позволит проводить комплексные исследования взаимодействия ионосферы с нейтральной верхней атмосферой, которые недоступны на других аналогичных установках.

Изучение космоса и земной коры

Как отметил Роман Васильев, кроме изучения ионосферы, ИКАР-АИ будет способствовать решению ряда других фундаментальных задач. Например, посредством мощного антенного поля ученые смогут производить радиоастрономические исследования объектов Солнечной системы и дальнего космоса.

Вместе с тем установка может быть востребована для исследования сейсмической активности на нашей планете и влияния литосферы на верхнюю атмосферу. Это может быть реализовано посредством сверхдлинноволнового излучения, формируемого нагревным стендом в ионосфере. Такое излучение способно проникать сквозь толщи земной коры и выявлять аномалии проводимости и плотности пород, которые могут быть предвестниками стихийных природных явлений.

— Недостаток ИКАР-АИ в том, его мощность более чем в 3,5 раза меньше, чем HAARP. Соответственно, ученые не смогут достичь ряда параметров, которые доступны на американской установке. Вместе с тем большой плюс иркутского нагревного стенда в том, что он будет работать в окружении большого количества диагностических средств. Они позволят вдоль и поперек изучить возмущенную область и увидеть те явления, которые невозможно исследовать на других установках, — поделился мнением ведущий научный сотрудник Арктического и антарктического научно-исследовательский института Алексей Калишин.

С другой стороны, отметил он, конструкция ИКАР-АИ будет модульной. Это позволит наращивать антенную решетку, благодаря чему эффективная мощность установки возрастет.

При этом, сообщил эксперт, ионосферу можно рассматривать как огромную природную лабораторию. Она предоставляет возможности для проведения экспериментов с плазмой в контролируемых условиях, что позволяет ученым исследовать это состояние вещества во взаимодействии с различными внешними факторами.

Таким образом, высказал предположение Алексей Клишин, ученые смогут научиться лучше понимать процессы в плазме и научиться контролировать их. Эти знания могут привести к прорывам в области управляемого термоядерного синтеза — реакции, при которой легкие атомные ядра объединяются в более тяжелые, выделяется энергия, сопоставимая с той, что питает звезды. Овладение термоядерной реакцией может обеспечить человечество практически неистощимым источником энергии.

— К научным установкам, которые будут работать совместно с проектируемым нагревным стендом, в частности, относятся расположенный недалеко от Иркутска радар некогерентного рассеяния и геофизическая обсерватория в Торах вблизи южного побережья Байкала. Эти устройства будут сканировать краткосрочные изменения в земной ионосфере в коротковолновом и оптическом диапазонах соответственно. Вторая причина, которая повлияла на выбор места для ИКАР-АИ, — это наличие инфраструктуры от Ангарского передающего центра, — прокомментировал председатель Иркутского регионального астрономического общества, автор канала «Иркутский астроном» Павел Никифоров.

Он объяснил, что новый исследовательский комплекс с помощью нагревного стенда позволит проводить эксперименты, воздействуя на магнитосферу Земли, и изучать развитие возникающих неоднородностей. Причем в течение эксперимента можно контролируемо точечно изменять параметры воздействия на ионосферу. Такие исследования — значимый шаг в понимании космической погоды, что критически важно для космической инфраструктуры навигации и связи.