Наука крупным планом: в погоне за молниями

Автор фото - Маргарита Романова

В этом году Институту солнечно-земной физики СО РАН исполняется 60 лет. Так что год посвящаем именно ему. Институт является одним из ведущих в области исследований Солнца и околоземного космического пространства. В составе учреждения — множество лабораторий и полигонов, находящихся в Иркутской области и Бурятии.

Первое место, в которое мы отправились — Лаборатория физики нижней и средней атмосферы. Возглавляет ее кандидат физико-математических наук Роман Валерьевич Васильев, ученый и мечтатель.Наука крупным планом: в погоне за молниями

Лаборатория существует около 50 лет. По словам Романа Валерьевича, это не так много — для хороших, качественных научных исследований атмосферы требуются стони лет наблюдений, чтобы можно было делать строгие выводы. Кроме того, впереди еще масса ожиданий: например, увидеть в Сибири молнии верхней атмосферы — спрайты.

Небесный спрайт

Такая небольшая мечта ученого, которая должна сбыться обязательно. Но пока по невыясненным причинам спрайты на территории Прибайкалья не были зафиксированы ни разу. Это особый вид электрических разрядов в холодной плазме, бьющих в верхней атмосфере — стратосфере и мезосфере. Разряды появляются в сильную грозу на высотах от 60 до 130 километров (высоты разряда обычных молний — это расстояние от поверхности земли до верхушки грозового облака, не выше 16 км), достигают размеров до 60 км в длину и до 100 км в диаметре. Спрайты развиваются преимущественно вниз и нередко сопровождаются расширяющимся гало, или так называемым эльфом, — свечением верхней атмосферы от воздействия электромагнитной волны наземного молниевого разряда, инициирующего спрайт. То есть все высотные молниевые разряды являются неким продолжением мощной молнии внизу, в тропосфере.

По словам Романа Валерьевича, они встречаются в различных местах планеты. Преимущественно высотные молниевые разряды наблюдают в приэкваториальных областях — там, где грозовая активность максимальна. Есть научные свидетельства о регистрации этих явлений в Европе, на широте Иркутска. Но почему-то ни одной фотографии этого явления, сделанной в Восточной Сибири, даже любительской, в руки ученого не попало.

Когда-нибудь Роман Валерьевич надеется увидеть спрайты рядом с Байкалом или объяснить, почему этих явлений не наблюдается в самом сердце Евразии. К слову, спрайты известны науке не так давно: впервые это явление зафиксировали в 1989 году ученые из Миннесоты. Мы, честно говоря, впервые услышали о таком явлении и теперь сами хотим его увидеть.

А вот шаровых молний нам увидеть, скорее всего, никогда не удастся. Когда-то шаровые молнии и спрайты были одинаково загадочным явлением. Учёные спорили об их существовании, требуя документальных свидетельств. В настоящее время интернет заполнен научными публикациями и научно-популярными статьями о высотных молниях, любительскими фотографиями спрайтов, но про шаровые молнии такого рода информации гораздо меньше. Вероятно, их не существует как таковых.

Роман Валерьевич рассказал, что, несмотря на происходящее в последние десятилетия бурное развитие цифровой фототехники, снимков шаровых молний, которые можно считать достоверными на сто процентов, не видел.

Зато совсем недавно ученые сделали другое открытие — зафиксировали грозы там, где, как считалось ранее, их быть не может: в Антарктиде за полярным кругом. Это было буквально месяц назад и дало толчок для новых исследований.

Чем вообще занимается лаборатория?

Изучение молний и гроз — одно из перспективных направлений работы института и лаборатории Васильева. Однако молнии — лишь одна составляющая комплекса наблюдаемых физических процессов. Лаборатория нижней и средней атмосферы ведет многолетние наблюдения структуры и динамики атмосферы Земли, изучает изменчивость в циклах солнечной активности, солнечные вспышки, геомагнитные бури, внезапные стратосферные потепления, атмосферные эффекты сейсмической активности.

Весь земной небосвод в средних широтах каждую ночь излучает слабый свет, подобный свету полярных сияний — так называемое ночное свечение верхней атмосферы Земли. Это свечение образуется, как и полярное сияние, в результате высыпания частиц из радиационных поясов. Но, преимущественно в средних широтах, светятся продукты химических реакций естественной природы, протекающих в верхней атмосфере.

Лаборатория ведет многолетние статистические исследования среднеширотных сияний, в чем добилась немалых успехов. Среднеширотные сияния значительно слабее северных и не так красивы (расплывчатые слабо светящиеся облака преимущественно красного цвета), но чрезвычайно важны для понимания физических процессов, развивающихся в атмосфере.

Институт также может гордиться своими исследованиями поведения зеленого и инфракрасного свечения среднеширотной атмосферы, в основном связанного с динамикой озона и атомарного кислорода в мезосфере, которая значительно изменяется под воздействием явлений, происходящих в нижних слоях атмосферы. Например, динамика свечения его свойства очень зависит от разрушения зимнего полярного стратосферного вихря, сопровождающегося потеплением в стратосфере — зимнего внезапного стратосферного потепления, которое происходит каждый год. Также на вариации интенсивности зеленого свечения оказывают влияние литосферные процессы — есть работы, показывающие связь регистрируемой интенсивности и землетрясений.

Все эти исследования важны для получения академических, фундаментальных знаний об устройстве природы, которые впоследствии могут найти практическое применение, например, для исследования процессов глобального потепления, литосферных процессов, катастрофических событий погоды.

Сейчас сотрудники лаборатории разрабатывают физическую модель, которая позволит оценить влияние Солнечной активности на погоду и климат. Делают они это на основании сведений, получаемых в результате наблюдений в институте, а также с использованием глобальных баз данных о геофизических полях: давлении воздуха, скорости и направлении ветра, температуры атмосферы и океана, с использованием наблюдений параметров атмосферы и околоземного космического пространства при помощи глобальных спутниковых систем.

«Пока основная рабочая модель состоит в том, что во время активности геомагнитных бурь нарушается баланс переноса тепла — на полюсах становится теплее. Но нужны годы, чтобы окончательно подтвердить это и выяснить точные причины и физические механизмы, лежащие в основе явления, а потом смоделировать весь процесс при помощи суперкомпьютера, убедиться в достоверности, работоспособности модели».

Новый толчок

Вскоре и лабораторию, и весь институт ожидает большое событие — открытие гелиогеофизического комплекса. Строительством учреждения мирового уровня занимается ИСЗФ при федеральной поддержке.

Гелиофизический комплекс включит в себя семь уникальных объектов:

  • Радиогелиограф в Тункинской долине у поселка Бадары;
  • Набор оптических инструментов в Тункинской долине у села Торы;
  • Лидар на Малом Море;
  • Комплекс радаров на Малом Море;
  • Крупный солнечный телескоп на территории Саянской солнечной обсерватории у поселка Монды;
  • Нагревный стенд под Ангарском;
  • Центр обработки данных в Иркутске.

Роман Васильев отмечает, что это даст ощутимое продвижения в исследованиях. Современное оборудование позволит регистрировать процессы, которые недоступны используемым сейчас устройствам. Новые исследования позволят получить фундаментальные знания о процессах солнечной активности, а также связанных с ними процессах, происходящих во всей земной атмосфере.

Сейчас Лаборатория нижней и средней атмосферы насчитывает порядка 30 сотрудников — климатологов, аналитиков, инженеров. Работа ведется в стенах ИСЗФ в Иркутске и на полигонах, преимущественно в Торах (средние широты), где располагается Геофизическая обсерватория и оптическое оборудование. Но для всесторонней оценки наблюдаемых событий сотрудникам приходится обмениваться сведениями, полученными другими инструментами, в частности, радиофизическими, размещать оборудование на других полигонах. Поэтому нередко приходится кооперироваться с другими подразделениями института: комплексной магнитоионосферной станцией, лабораторией развития радиофизических методов исследований, обсерваторией радиофизических исследований атмосферы, радиоастроносической обсерваторией, саянской солнечной обсерваторией и другими.

Наука крупным планом: в погоне за молниями
Автор фото: Евгений Козырев

С вводом в эксплуатацию нового комплекса заботы значительно возрастут, потребуется привлекать новых специалистов. В новый комплекс примут порядка 100 научных сотрудников и около 400 инженерно-технических работников.

Мы нужны Роскосмосу

Наука крупным планом: в погоне за молниями
Фото: https://www.roscosmos.ru/

Роман Васильев уверен, что институт должен более тесно сотрудничать с Роскосмосом. Одной из точек взаимодействия может стать «Радар — Прогресс». Это российский научный эксперимент, который предполагает исследование наземными средствами наблюдения характеристик плазменных неоднородностей, генерируемых в ионосфере при работе бортовых двигателей ТГК «Прогресс». Эксперимент проводится на этапе автономного полета ТГК «Прогресс» после его отделения от МКС. Сотрудники ИСЗФ инициировали этот эксперимент и принимают деятельное участие в его проведении. Все текущие результаты, наработки уже доложены Роскосмосу, и есть надежда на продолжение исследований по этой программе.

В относительно недалеком будущем проводящиеся в институте исследования, создаваемые модели могут быть использованы корпорацией, в частности, для прогноза состояния атмосферы, который будет необходим для повышения эффективности (например, с точки зрения экономии топлива) запуска ракет, управления орбитальной спутниковой группировкой.

«По части исследований мы держим руку на пульсе, знаем современное состояние. И нам есть, что предложить Роскосмосу. Если потребуется, можем заняться прогнозами поведения атмосферы. Эти предложения мы еще будем формировать и в рамках работы на новом комплексе с новым оборудованием надеемся на сотрудничество».

Кроме того, Институту было бы интересно наладить сотрудничество с Роскосмосом в плане использования российских спутниковых платформ для проведения исследований атмосферы по примеру европейского или североамериканского космического агентств. У ИСЗФ, да и в России вообще своих спутников, мониторящих, например, температуру атмосферы (стратосферы, мезосферы), нет, а в исследованиях они бы очень пригодились.

Исследования не перестанут быть актуальными

Исследования, которые проводит институт, не перестанут быть актуальными. Наука еще многого не знает об околоземном пространстве, о взаимодействии различных слоёв атмосферы, о влиянии солнечного излучения, солнечного ветра на Землю. Также многое надо понять про процессы в стратосфере и тропосфере, про погоду и климат.

«Наши исследования всегда будут актуальны. При возникновении необходимости и мы можем строить карты областей с грозами, что полезно для летчиков, составлять прогнозы поведения атмосферы для центра управления полётами космических аппаратов. Вот управлять погодой, кроме как посыпая облака аэрозолями, пока не умеем, но, может, в будущем что-нибудь придумаем».

Анастасия Украинская. «Иркутск Сегодня»

Похожие новости