Научные эксперименты. За ответами в космос - Александр Яровитчук
Электроника выходила из строя не только над безопасным местом проведения испытаний, но и на противоположных участках планеты. Заряженные частицы по силовым линиям магнитного поля смогли перетечь на другую сторону Земли. Компасы на судах, чьи маршруты пролегали недалеко от полюсов, еще пару лет после этого давали сбой. В некоторых местах появились озоновые дыры.
С другой стороны, в те же годы была предпринята попытка, наоборот, помочь ионосфере в ее способности отражать радиоволны. В рамках американского проекта «Вестфорд» планировалось вывести на орбиту 480 миллионов медных игл. Они должны были разлететься в виде сферы вокруг планеты и стать своего рода зеркалами для радиоволн. Это была попытка создать искусственный аналог ионосферы. Несмотря на опасения, что это вызовет больше проблем, чем пользы, три аппарата проекта были запущены. Основная проблема виделась в том, что не смогут работать радиотелескопы, которые изучают далекий космос, и не будет возможности связываться со спутниками. Просто сквозь облако иголок не будут проходить никакие сигналы. Вторая неприятность заключалась в том, что эти иголки являются космическим мусором без управления и возможности отслеживания.
В итоге двум спутникам развеять иголки не удалось, а вот третий – успешный – в прессе назвали самым грязным. Эффективность эксперимента была крайне невысокой. Радиоволны хорошо отражались только первую неделю, а неприятные последствия остались на десятки лет.
В 1970‐х годах серии спутников ДС-У2-ИП, «Ореол», «Ионозонд», «СНЕГ», «Эксплорер», «Кластер», ММS, SWARM изучали ионосферу и многие ее интересные особенности: полярные каспы, экваториальную аномалию (или аномалию Эпплтона), главный ионосферный провал, экваториальные плазменные пузыри, альфвеновский резонатор, а также вызывающие их радиосигналы, которые служат помехами, шумом для радиосвязи: сферики, свисты, утренний хор, резонансы Шумана.
Сферики – вызванные молниями низкочастотные электромагнитные колебания, которые могут распространяться по ионосфере на огромные расстояния. В ионосфере образуются структуры, которые фокусируют радиоволны и не дают им рассеяться.
Свисты – это сферики, длина волны которых такая же, как у звука. В первых телефонах они вызывали помехи, напоминающие свист. Без трубки услышать их нельзя, но есть свидетельства, что они не только вызывают помехи, но и влияют на нервную деятельность человека. Хотя этот факт не доказан, статистика указывает на это. От этого продолжать исследования свистов особенно важно.
Утренний хор – вид помех, который возникает, если частота радиоизлучения Солнца совпадает с частотой вращения электронов в ионосфере под действием магнитного поля. Возникает резонансное движение. Электроны двигаются по спирали с ускорением и излучают низкочастотные радиоволны.
Резонанс Шумана – самое яркое явление. При определенных частотах радиоволна может обогнуть всю землю, отражаясь от ионосферы, и догнать саму себя. Так как частоты изначального сигнала и отразившегося одинаковы, возникает резонанс с усилением помехи.
На МКС используется интересный метод по регистрации изменений радиоволн, которые испускают другие космические аппараты. Исследование получило имя «Метрад». Радиоволны буквально проходят через атмосферу насквозь по касательной к поверхности Земли, иногда преломляются, иногда поглощаются, иногда отражаются от поверхности под разными углами. Ловится сигнал от множества космических аппаратов, которые выполняют другую задачу, но при этом используют радиоволны. Поскольку спутники есть почти со всех сторон, сразу можно получить данные о половине атмосферы.
В современном эксперименте «Импульс» предпринимаются попытки создания возмущений, которые могут стать новыми каналами электромагнитной коммуникационной связи. Специальный инжектор на борту МКС внедряет в космическое пространство импульсный поток плазмы. Исследование проводится очень аккуратно с фиксацией изменений не только в зоне проведения, но и по всей ионосфере. Таким образом космонавты оценивают экологическое влияние своей работы, а заодно метаморфозы ионосферы из-за природных и техногенных процессов.
Было замечено, что изменения в ионосфере связаны с различными геологическими процессами. Так, на МКС в 2005 году проводился европейский эксперимент Lazio-Sirad, который ищет локальные изменения перед землетрясениями. При смещении земной коры может измениться магнитное поле из-за движения потоков мантии под литосферными плитами. Ионосфера быстро на это реагирует. Колебания поля будут ярко отражены в усиливающемся слое заряженных частиц атмосферы. Другая гипотеза предполагает, что в месте разлома произойдет высвобождение заряженных частиц. В земной мантии есть радиоактивные изотопы – вещества, которые распадаются на части с выделением положительных и отрицательных ионов. Эти частицы также должны искажать ионосферу. Аналогичный отечественный эксперимент «Сейсмопрогноз» проводился с 2013 по 2016 год, в его ходе искали импульсные, то есть кратковременные, всплески радиоизлучения для обнаружения точного положения возможных землетрясений. Ранее были получены данные со спутников «Интеркосмос‐19», «Космос 1809», «Активный», «АПЭКС», «Коронас-И», которые давали надежду, что удастся найти метод предупреждения пока самого внезапного, но при этом катастрофического явления. Пока результаты достаточно скромные, но, например, в 2011 году удалось зарегистрировать возмущения над Японией. Тогда комплекс наземных станций раннего предупреждения обнаружил предварительные толчки, и благодаря этому по телеканалам прошло сообщение о надвигающемся землетрясении. В будущем есть надежда собрать больше данных, развить космические средства прогнозирования и сделать их более эффективными.
Неразрывно с исследованием ионосферы и радиационных поясов идет изучение магнитного поля Земли. Основная теория, которая объясняет его существование, называется моделью гидромагнитного динамо. Предполагается, что жидкое ядро планеты движется. Горячие потоки магмы поднимаются, а остывшие – опускаются. Вращение Земли закручивает их в так называемые столбы Тейлора. В этом случае траектория жидкости ядра напоминает движение заряда внутри катушки электромагнита. В магме из-за трения потоков образуются отдельные ионы и электроны. Движущиеся заряды и создают магнитное поле в ядре Земли, вероятно, по тому же принципу, что и в динамо-машине.
Движение недр планеты осуществляется достаточно неравномерно, так что магнитное поле не везде одинаковое и постоянно меняется. Северный магнитный полюс движется со скоростью 55 километров в год, а Южный – девять километров в год. Полюса при этом располагаются несимметрично. Первые экспедиции к географическим полюсам были крайне осложнены из-за этих фактов. Геологические исследования показали, что периодически (последний раз это было примерно 780 тысяч лет назад) происходит инверсия, то есть смена расположения полюсов. Северный полюс оказывается в южном полушарии, а Южный – в северном. Это удалось определить по породам, кристаллическая структура которых при затвердевании ориентируется по магнитному полю. У образцов, образовавшихся в разные эпохи, разная структура. Также известны магнитные аномалии планеты. Залежи металлов часто сами намагничиваются и искажают общее поле. Собственно, эти особенности были известны до космической эпохи, а с появлением космических аппаратов, которые быстро, буквально за 90 минут, могли облететь планету от полюса к полюсу, изучать изменения и структуру магнитной оболочки стало проще.
С помощью спутников «Космос‐26» и «Космос‐49» серии ДС – МГ удалось обнаружить десятки отклонений от ожидаемого значения магнитного
