Запуск серии ракет для выявления причин проблем с GPS

Солнечные бури не раз нарушали работу современных средств связи. Исследователи собираются запустить серию ракет, чтобы узнать, почему так происходит. Их целью является повышение качества прогнозов космической погоды

Солнечные бури являются причиной такого зрелищного явления, наблюдаемого на Земле, как северное сияние. К несчастью, солнечные бури также способны приводить к сбоям в аэронавигации и системах радиосвязи. Всего полгода назад, в начале ноября 2015 года, солнечная буря большой силы стала причиной отмены всего воздушного сообщения на юге Швеции. Хотя следует отметить, что такое все же происходит довольно редко. Опасность нарушения воздушного движения является самой высокой именно в арктических регионах.

Солнечные бури мешают не только воздушному движению. Они также способны нанести ущерб орбитальным станциям, спутникам и космонавтам, работающим на орбите, электрическому оборудованию на земле, подводным телекоммуникационным кабелям и сообщению с морскими транспортными судами и буровыми вышками в Северном Ледовитом океане.

«С происходящим в настоящее время таянием арктических льдов возрастает важность северных районов. Поэтому нам необходимы прогнозы космической погоды для предсказания нарушений работы средств связи и определения необходимости во временном отключении спутников», — рассказывает Войчех Яцек Милёх, доцент факультета физики Университета Осло. Он возглавляет группу по междисциплинарным исследованиям (4DSpace), в которую входит почти 40 человек, занимающихся исследованиями турбулентности и нестабильности ионосферы.

Запуск серии ракет для выявления причин проблем с GPS

При помощи двух параболических антенн Европейской системы исследований некогерентного рассеяния в зоне полярного сияния (EISCAT) исследователи смогут измерять температуру, скорость и электронную плотность электрически заряженного газа в ионосфере. Автор: Ингве Вогт

Ионосфера — это самый верхний слой атмосферы Земли, расположенный на высоте
80–500 километров от поверхности планеты. Газ, содержащийся в ионосфере, электрически заряжен и называется плазмой. Ионосфера важна для радиосвязи, поскольку она отражает радиоволны обратно к Земле.

«Для нас, физиков, важно понять природу физических процессов, которые приводят к неустойчивости плазмы», — подчеркивает Милёх.

Солнечные облака атакуют Землю

Что же происходит в действительности? Солнечные вспышки приводят к образованию огромного количества плазменных облаков, состоящих из электрически заряженных частиц, таких как электроны, протоны и ионы гелия. Эти частицы врезаются в Землю с невероятной скоростью 400 км/с.

Без магнитного поля Земли плазменные облака, порождаемые Солнцем, давным-давно превратили бы Землю в безжизненную пустыню. Магнитные поля удерживают солнечный ветер на безопасном расстоянии от Земли, за исключением областей магнитных полюсов. Здесь солнечный ветер проникает в ионосферу, и огромная энергия этого столкновения приводит к возникновению известного во всем мире северного сияния.

И именно здесь, в электрически заряженных облаках, возникает такая сильная турбулентность, что радиосигналы начинают отражаться в неправильном направлении. А это влияет на работу глобальной навигационной спутниковой системы. Система глобального позиционирования (GPS) являются частью этой системы. Турбулентность является классической проблемой, которая продолжает ставить физиков в тупик.

«Это исследование поможет нам лучше понять, как северное сияние влияет на глобальную навигационную спутниковую систему, как долго она будет выведена из строя и какой силы будет волнение. Когда Солнце нагревает атмосферу, она становится ионизированной. Вследствие этого в этой области повышается электронная плотность», — объясняет Даг Лоренцен, профессор Свальбардского международного университета.

Солнечные бури приводят к северным сияниям двух видов. Первый — это дневное северное сияние, которое возникает на высоте более 250 км над поверхностью Земли. Второй — это намного более сильное ночное северное сияние, которое возникает на расстоянии 100 км от земной поверхности.

Шпицберген находится в идеальном месте для изучения дневного северного сияния. А ночное северное сияние чаще всего происходит на той же широте, на которой расположен город Тромсё.

Для изучения внутреннего мира ионосферы у исследователей есть несколько научных объектов, три из которых расположены на Шпицбергене.

На расстоянии 3000 км

Один из них называется SuperDARN (система парных РЛС для изучения ионосферных явлений) и представляет собой международную сеть огромных радиолокационных станций, расположенных по всему земному шару и измеряющих явления, происходящие в ионосфере.

Когда прошлым летом представители журнала «Аполлон» посетили Шпицберген, специалисты‑физики как раз занимались установкой оборудования SuperDARN на плато недалеко к востоку от Лонгйира. Новый объект состоит из двух рядов антенн, самая высокая из которых имеет высоту более 20 м. Их стоимость составляет 10 миллионов норвежских крон.

«РЛС на Шпицбергене является вкладом Норвегии в глобальную сеть SuperDARN», — говорит профессор Йёран Муэн, уже много лет курирующий исследования северного сияния в Университете Осло.

Благодаря новым антеннам на Шпицбергене исследователи теперь могут изучать ионосферу в полярных районах. В действительности они смогут исследовать пространство на расстоянии до 3000 км.

SuperDARN используется для крупномасштабных измерений. Другими словами, исследователи не получают изображений с высоким разрешением. Ученые стремятся использовать SuperDARN для изучения того, как солнечный ветер приводит к образованию так называемых конвективных ячеек в ионосфере. По мере того как солнечная плазма приближается к Земле, она перемещается между конвективными ячейками, которые постоянно меняют форму, пока не достигают области формирования северного сияния.

«Поэтому исследователи космоса используют северное сияние в качестве инструмента для изучения явлений, возникающих при столкновении солнечных газов с атмосферой Земли», — рассказывает Сянцай Чэнь, ученый, работающий над диссертацией о физической природе северных сияний в Арктике для получения степени кандидата наук.

Измерение температуры и скорости

Еще одна большая установка, расположенная на Шпицбергене, принадлежит EISCAT (Европейская система исследований некогерентного рассеяния в зоне полярного сияния). Она находится всего в нескольких сотнях метров от SuperDARN. Установка состоит из двух больших параболических антенн диаметром более 30 и 40 м и используется для исследования намного меньших по сравнению с SuperDARN участков ионосферы, но с намного более высоким разрешением.

Исследователи используют EISCAT также для измерения температуры, скорости ионов и электронной плотности плазмы.

Несколько лет назад профессор Йёран Муэн при помощи данных, полученных EISCAT, установил, что ежедневно Земля теряет огромное количество кислорода (до 300 тонн) в виде фонтана шириной 100 м и высотой 50 тыс. км, уходящего из ионосферы в космическое пространство. При этом всего лишь половина этого кислорода возвращается обратно на Землю. Подобный воздушный фонтан образуется над Шпицбергеном и существует в течение 4–6 часов каждый день.

Наблюдение только в темное время года

Третьей большой установкой является Лаборатория им. Хьеля Хенриксена, названная в честь физика Хьеля Хенриксена (1938–1996), работавшего профессором в Университете Тромсё. Старая обсерватория для исследования северного сияния находилась ниже в долине, но ее пришлось переместить из-за слишком высокого светового загрязнения из Лонгйира. Новая установка расположена прямо напротив объекта EISCAT.

Это оптическая лаборатория, которая работает только в абсолютной темноте. Летом стеклянные купола закрыты алюминиевыми экранами, чтобы свет не повредил приборы. В лаборатории есть 32 оптических прибора, один из которых принадлежит Университету Осло. Здесь исследователи могут изучать явления, происходящие в ионосфере, а также изменения северного сияния с течением времени.

«Сверхширокоугольная линза позволяет фотографировать весь небосвод», — рассказывает Даг Лоренцен.

Она позволяет уловить относительно специфические длины волн северного сияния. Затем полученные данные сравниваются с результатами наблюдений, выполненных SuperDARN и EISCAT.

Выстрелить ракетой прямо в северное сияние

Когда исследователи наблюдают за ионосферой с земли, им приходится изучать ее с расстояния в несколько сотен километров. Для получения более подробной картины им необходимо измерить то, что происходит внутри самого северного сияния. И единственный способ сделать это подразумевает запуск ракет.

«Ракеты позволяют нам получить уникальные данные, которые недоступны для нас ни с земли, ни при помощи спутников», — подчеркивает Милёх.

Исследователи производят подобные запуски уже в течение нескольких лет. Такие ракеты оборудованы сложными приборами, которые позволяют за несколько минут измерить микроструктуру плазменных облаков. Ни один из подобных приборов не был приобретен в готовом виде, многие из них были изготовлены в физической лаборатории Университета Осло.

Одним из главных приборов ракеты является набор небольших антенн, предназначенных для измерения электронной плотности ионосферы. Он был сконструирован четыре года назад группой аспирантов и профессоров в Университете Осло и уже тогда был способен измерять электронную плотность в тысячу раз быстрее, чем это делали в НАСА. Расстояние между точками наблюдения было тогда сокращено с семи километров до долей метра.

Сегодня ракеты позволяют получать изображения с высоким разрешением только по направлению собственного движения, то есть в двух измерениях, но этого уже недостаточно. Для пространственного обзора исследователи должны наблюдать за явлением в трех измерениях.

Ракета с шестью мини-зондами

Этим летом Университет Осло будет принимать участие в запуске самой сложной исследовательской ракеты из когда-либо использовавшихся. При достижении ионосферы эта ракета выпустит дополнительные измерительные приборы.

Впервые в мировой истории исследователи будут использовать подобную технологию для исследования северного сияния.

«Тогда нам наконец удастся исследовать турбулентность в трех измерениях», — рассказывает Милёх.

Для начала ученым придется проверить, будет ли работать новая система. Для сохранения устойчивости в полете ракета должна вращаться. Здесь действует тот же принцип, что и при езде на велосипеде: если вы не двигаетесь, то вы падаете. В ионосфере вращающаяся ракета выпустит шесть мини-зондов. Благодаря центробежной силе мини-зонды рано или поздно отдалятся от исходной ракеты.

Мини-зонды размером всего 10 см в ширину и 4 см в длину будут сохранять связь с основной ракетой, пока не удалятся от нее на расстояние одного километра. На практике это означает, что на проведение измерений у исследователей будет от 4 до 9 минут в зависимости от высоты полета ракеты.

«Главная задача в том, чтобы удостовериться, что мини-зонды могут поддерживать связь с ракетой».

Вся связь с землей происходит в тот момент, когда ракета находится в воздухе. А когда задание будет выполнено, ракета и мини-зонды упадут в море. И даже несмотря на то, что ракета пройдет через северное сияние на невероятной скорости 1 км/с, приборы будут работать так быстро, что расстояние между каждым отдельным замером составит не более нескольких сантиметров.

«На практике это означает почти непрерывное измерение».

Точная настройка запуска ракеты

Этим летом ракета будет запущена с острова Аннёйа в сотрудничестве с Университетом Тромсё. Она будет измерять плазменную структуру пылевых облаков. Пылевые облака влияют на эхосигналы радаров, а физическая природа этого явления пока еще плохо изучена. Исследователи хотят воспользоваться этой возможностью, чтобы убедиться, что приборы, размещенные в основной ракете и в мини-зондах, работают правильно.

Они планируют запустить свою собственную исследовательскую ракету из Ню-Олесунна на Шпицбергене в 2018 году. К этому времени они должны удостовериться в том, что попадут в цель.

Длина ракеты составляет 3 м, масса — 140 кг, а высота подъема — 350 км. Ее стоимость равна 20 миллионам норвежских крон, и у исследователей будет всего одна попытка. Поэтому им необходимо определить наилучшее время для запуска.

«Запуск ракеты — непростое дело».

Чтобы запустить ракету, в распоряжении ученых будет 10 дней при ежедневной продолжительности пускового окна в несколько часов.

«В этот период воздушное пространство может быть незамедлительно закрыто по первому требованию. Нам необходимо наличие северного сияния и отсутствие сильного ветра, иначе ракета может упасть», — объясняет Милёх.

Для определения оптимального времени запуска они полагаются на наблюдения SuperDARN, EISCAT и Лаборатории им. Хьеля Хенриксена.

«Это позволит нам увидеть прибытие мощных плазменных облаков, которые мешают связи со спутниками. Как только нам станет известна скорость плазменных облаков, мы сможем вычислить лучшее время для запуска ракеты. Но запуск ракеты всегда сопряжен с долей риска. Нам необходимо предсказать, что произойдет в следующие 5–10 минут», — рассказывает Милёх.

Примерно за час до того, как солнечная буря достигнет Земли, они смогут получить об этом информацию от спутника ACE, находящегося в 1,5 миллиона километров в точке гравитационного равновесия между Землей и Солнцем.

«Тогда мы сможем предсказать вероятность северного сеяния», — говорит Даг Лоренцен.

Запуск можно будет отменить в последний момент. Почти в последний.

«На самом деле, мы можем отменить запуск, когда до него останется всего 40 с, но в это время практически все процессы уже будут запущены», — объясняет Лоренцен.

Сто мини-зондов

В будущем Милёх надеется на возможность запуска ракет, которые будут нести до ста мини‑зондов.

«Таким образом, каждая наша ракета сможет выпускать в районе северного сияния целый рой приборов».

Но первейшая задача в настоящее время заключается в том, чтобы сделать эти мини-зонды небольшими при одновременном сохранении возможности связи. Помимо этого, исследователи хотят оснастить мини-зонды приборами, которые будут измерять не только электронную плотность, но и характеристики магнитных и электрических полей.

«Затем нам нужно будет заменить сложную электронику миниатюрными микросхемами».

В этом стремлении исследователям оказывают помощь нанотехнологи с факультета информатики Университета Осло, но это уже другая история.

Оригинал статьи : /www.apollon.uio.no/