Лаборатория исследования динамических процессов в ионосфере — наш следующий объект в Институте солнечно-земной физики СО РАН. Посетить лабораторию, к сожалению, не удалось из-за пандемии коронавируса. Но её руководитель Олег Игоревич Бернгардт рассказал о работе, ответив на наши вопросы удаленно.
Лаборатория исследования динамических процессов в ионосфере достаточно новая в ИСЗФ, она была организована в 2010 году для развертывания российской сети когерентных декаметровых радаров, в том числе и для выполнения задач Национального гелиогеофизического комплекса РАН. Напомним, что сейчас вовсю идет строительство комплекса, который станет научным учреждением мирового масштаба.
Ионосфера. Что это и почему она мешает GPS
Основными направлениями исследований лаборатории являются исследования неоднородностей в ионосфере, вызванных различными источниками.
Ионосфе́ра, в общем значении — слой атмосферы планеты, сильно ионизированный вследствие облучения космическим излучением. У планеты Земля это верхняя часть атмосферы, состоящая из мезосферы, мезопаузы и термосферы, главным образом ионизированная облучением излучением Солнца. Ионосфера Земли состоит из смеси газа нейтральных атомов и молекул (в основном азота N2 и кислорода О2) и квазинейтральной плазмы (число отрицательно заряженных частиц лишь примерно равно числу положительно заряженных частиц при подсчете их числа в объемах радиусом больше нескольких сантиметров, но это равенство не выполняется при рассмотрении объемов меньших размеров). Количество заряженных частиц — степень ионизации становится существенной уже на высоте 60 километров.
По словам ученого, ионосфера — достаточно сложная среда — фактически это обычная атмосфера, но большая ее часть ионизирована солнечным излучением — она разделена на ионы и электроны. Поэтому в ней существуют различные неоднородности с различными размерами — от сантиметров до тысяч километров. Часть этих неоднородностей возникает самопроизвольно, другая — под действием мощных источников возмущений — это могут быть мощные электрические токи на высоте 100 километров, например, как в полярной или экваториальной ионосфере; это может быть граница между освещенной и неосвещенной атмосферой (солнечный терминатор, который движется по атмосфере со скоростью, близкой к скорости звука); это могут быть сейсмические волны, распространяющиеся по поверхности Земли от удаленных землетрясений и генерирующие звук, который доходит до ионосферных высот; это могут быть массивные метеороиды, сгорающие в атмосфере, типа челябинского события.
В общем, источников ионосферных неоднородностей много. Эти неоднородности существенно влияют на распространение радиоволн, а это дальняя радиосвязь, радиолокация, и даже спутниковая навигация. Если бы не было ионосферы и ионосферных неоднородностей, то позиционироваться с помощью GPS можно было-бы намного точнее. Но от влияния ионосферы мы избавиться не можем, потому ее необходимо учитывать, и чем точнее — тем лучше, если нам нужна эффективная работа радиосредств и систем спутникового позиционирования.
ИСЗФ в том числе занимается анализом неоднородностей и их движения на высоких широтах, где-то с широт северного побережья РФ и севернее, для чего в основном в мире и используются когерентные декаметровые радары, которыми как раз занимается лаборатория. На высоких широтах движение неоднородностей связано с динамикой всего магнитного поля Земли, и зная, как движутся неоднородности, можно судить о том, какие процессы происходят в магнитном поле Земли на огромных расстояниях от ее поверхности, и как оно реагирует на солнечную активность. В свою очередь, зная о движении этих неоднородностей, можно создавать модели влияния Солнца на различные земные феномены — полярное сияние, геомагнитные бури и так далее, и пытаться их прогнозировать.
Поэтому исследование ионосферных неоднородностей — весьма сложная, интересная и полезная задача, как с точки зрения фундаментальной физики, так и с точки зрения практического интереса, и является одной из актуальных задач на сегодня, широко исследуемых за рубежом и в РФ.
Несколько раз в год выходят научные статьи, авторами или соавторами которых являются сотрудники лаборатории, и в которых рассказывается об итогах тех или иных научных исследований.
Например, была интересная работа в Journal of Geophysical Research по челябинскому метеориту, где нам удалось например впервые доказать возникновение так-называемой ударной волны в ионосфере в первые минуты после наблюдения его свечения.
В прошлом году вышла работа в топовом американском журнале Space Weather во главе большого международного коллектива, где нам удалось очень детально исследовать свойства шума, измеряемого на мировой сети радаров SuperDARN и нашего радара EKB и доказать, что его можно использовать для исследования нижней части ионосферы.
Планы на будущее
Сложно сказать или строить долгострочные планы. Задача может занять месяц, а может — годы. Заниматься будем в основном радарами и ионосферой. А в деталях — не очень очевидно: может появиться интересный эффект, который удастся объяснить — будем исследовать его.
Пока лаборатория сосредоточена на работе в трех направлениях. Это исследования ионосферных неоднородностей с помощью разработанного нами индекса возмущений по данным GPS, разработка возможностей исследования нижней части ионосферы по данным радиошумов, измеряемых на радаре (это сейчас интенсивно развиваемое направление). Есть планы по анализу неоднородностей некоторых типов, которые ранее на таких радарах еще не исследовались.
А еще планируется начать исследовать ветры на высотах 80-90 километров по наблюдениям за сгорающими метеорами.
В общем, будем смотреть, что еще недостаточно исследовано и тщательно это исследовать. С моей точки зрения, в нашем деле либо ты бежишь перед поездом, либо едешь на нем, либо ты уже давно отстал. Поэтому обычно наши планы корректируются прямо по ходу жизни, в зависимости от того, что уже сделано или делается в мире в этой области.
На чем ведутся исследования и кто их ведет
В Лаборатории исследования динамических процессов в ионосфере в основном используют в работе радары. И сейчас в рамках работы по строительству Национального гелиогеофизического комплекса РАН будут сделаны еще более современные радары отечественной разработки. Напомним, что первые объекты комплекса строят в Торах и Бадарах. Это будет научное учреждение мирового класса. Как сообщалось ранее, на работу в комплекс институт готовится принять 100 научных сотрудников.
Как и у всего института, у Олега Игоревича много ожиданий от нового комплекса, который предоставит ученым возможность работать на новых инструментах.
Эти инструменты позволят изучать проблемы взаимодействия между процессами на Солнце и физическими процессами на Земле и в околоземном пространстве с точностью, которая раньше у нас отсутствовала. А вот для того, чтобы использовать эти инструменты и обеспечить ‘подвижки в науке’ нужны кадры — молодые, грамотные и умные. И чтобы они были заинтересованы работать в РФ, а не за рубежом. И их надо обучать уже сейчас. В общем, если будет и комплекс, и грамотные надежные кадры — я думаю будут и интересные результаты, как фундаментальные, так и прикладные, говорит Олег Игоревич.
В лаборатории порядка 20 человек, из них два научных сотрудника и один исследователь, остальные инженеры и техники. Сейчас здесь трудятся и аспиранты, на которых руководство возлагает большие надежды.
Конечно, как и в целом в науке, в лаборатории тоже не хватает кадров. Но уникальных, умных и грамотных специалистов нужно учить самим, поскольку никаких денег не хватит, чтобы их где-то купить готовыми, отмечает глава лаборатории.
Поэтому в связи с весьма невысокой зарплатой научного и инженерного персонала, отсутствием ведомственного жилья вопрос с кадрами очень серьезный. Сильно большие требования к квалификации специалиста для такой зарплаты и таких условий. Хорошо помогают в этом смысле фонды — РФФИ и РНФ.
Кстати, одним из элементов Гелиогеофизического комплекса СО РАН будет сеть из новых когерентных радаров. Это как раз стезя лаборатории, о которой сегодня идет речь. Так что мы ждем только развития в научной области Прибайкалья и всего мира.
Анастасия Украинская. «Иркутск Сегодня»