fbpx
ОСТАННІЙ ПОДКАСТ

Ми під'їдаємо крихти cookies за вами. Навіщо це нам?

Читати

Пардон за відволікалочку. Допоможи Куншт бути незалежним!

Пардон за відволікалочку. Допоможи Куншт бути незалежним!

Повідомлення успішно надіслано

Для пошуку
введіть назву запису
Планета — 15.01.20
ТЕКСТ: Маркіян Прохасько
Ілюстрації: Каталіна Маєвська, Маркіян Прохасько
Ми любимо тексти без помилок. Якщо ви все ж таки щось знайшли, виділіть фрагмент і натисніть
Ctrl+Enter.
Хвилі й перепони

Ще у березні 2019 року авторові проєкту «Антарктида» Маркіяну Прохаську випала нагода поспілкуватися із доктором фізико-математичних наук Олександром Швецем на українській станції «Академік Вернадський» в Антарктиді. Там науковець займається дослідженнями іоносфери, зв’язку, шуманівського резонансу, а також грозової активності. Олександр – старший науковий співробітник відділу дистанційного зондування Землі Інституту радіофізики та електроніки ім. О. Усикова НАН України у Харкові. Він розповів про дослідження іоносфери на станції «Академік Вернадський».

Які дослідження ви проводите тут, в Антарктиді?

 

Ми досліджуємо шуманівський резонанс. Це електромагнітна хвиля, яка виникає в певній точці в атмосфері і кілька разів обгинає землю. У точці, де ви спостерігаєте цю хвилю, в частотному спектрі сигналу виникають резонансні максимуми. Положення цих максимумів на осі частот однакові, бо вони пов’язані із таким сталим параметром, як довжина окружності Землі. Піки розташовані приблизно на вісьмох, чотирнадцятьох, двадцятьох герцах тощо (зростаючи на +6).

 

 

Резонанс Шумана – явище виникнення електромагнітних хвиль наднизьких частот (радіохвиль) у проміжку між поверхнею Землі та іоносферою. Якщо у цьому «обрамленому» Землею та іоносферою середовищі виникає електромагнітна хвиля, що обгинає Землю і входить у резонанс сама із собою, то така хвиля може існувати доволі тривалий час.

Нижня сфера, від якої відштовхуються електромагнітні хвилі, – це поверхня Землі. Одразу потрібно зазначити, що ця поверхня далеко не ідеально рівна, і на ній безліч перешкод. Верхня сфера, від якої відштовхуються електромагнітні хвилі, – це іонізований газ іоносфери, що розташований приблизно на висоті 80 кілометрів. Він також не однорідний. Під дією сонячного випромінювання газ іонізується сильніше, і шар стає щільнішим. Його характеристики змінюються також залежно від погодних умов, пори року і доби.

Верхня межа іоносфери загалом – 600 кілометрів. Проте іоносфера поділяється на три шари, які мають різну густину та властивості. У цій розмові йдеться передовсім про нижню межу іоносфери.

 

У чому їхня особливість, якщо порівнювати з іншими хвилями?

 

У них дуже мале загасання (вони дуже повільно зникають, – прим. ред.). Хвилі на цих частотах можуть обігнути Землю багато разів, за рахунок чого і утворюються ці резонансні явища.

 

А що є їхнім джерелом?

 

На Землі джерелом цих хвиль можуть бути розряди блискавок. Резонансне явище дозволяє нам з однієї точки земної кулі спостерігати майже всі блискавки, які відбуваються на поверхні Землі, але й не тільки на поверхні. Адже є розряди блискавок, які відбуваються із хмари вгору.

 

Який відсоток блискавок, які відбуваються із хмари вгору?

 

Йдеться навіть про один відсоток таких блискавок. Орієнтовна кількість блискавок, які трапляються на всій поверхні Землі, – це 50-100 на секунду. Для того, щоб спостерігати блискавки, які розряджаються вгору, необхідно докладати спеціальних зусиль. Блискавки можна певним чином зафіксувати: «почути» і «побачити» за показниками, коли вони потрапляють у об’єкти. А щодо блискавок «знизу вгору», то коли йде гроза і небо закрите, спостереження має бути з точки, де грози немає, здалеку.

Такі сплески фіксували доволі давно. Мені здається, що перші випадки прив’язки сплесків до блискавок-спрайтів були із борту МКС десь у середині дев’яностих. Спрайти – це, власне, розряди із хмар у іоносферу. Вони дуже потужні, їхня довжина сягає понад п’ятдесят кілометрів. Світність не така висока, як у звичайних блискавок.

Вгорі менша щільність повітря, що менше сприяє протіканню розряду, і це впливає на світло.

 

 

Звичайні блискавки – ті, що розряджаються із хмар вниз до землі – виникають не вище за 16 кілометрів. Коли напруженість між хмарою та землею стає достатньо сильною, виникає блискавка. Для цього має збільшитися кількість вільних електронів. Стається це внаслідок того, що наявні вільні електрони розганяються і вдаряють молекули. Молекула має позитивно та негативно заряджені частки. Коли вільний електрон вдаряє молекулу, він розбиває її і вивільняє нові електрони. Повітря ще більше заряджається, всі ці нові електрони знову розбивають наступні молекули. Так у вузькому каналі повітря лавиноподібно з’являється більше вільних електронів. У цьому каналі починають рухатися заряди. Перший із них стрибкоподібно прямує до землі. Тому блискавка наче шукає шлях, робить зиґзаґи. За першим зарядом йде «головний канал» блискавки. Розряд блискавки здебільшого протікає кількома імпульсами, тому блискавка мерехтить. Все відбувається в середньому одну секунду. Діаметр блискавки може досягати 10 сантиметрів, а довжина – переважно 4-5 кілометрів. Деколи довжина блискавки буває значно більшою. Повітря в каналі блискавки дуже швидко розширюється і знову стискається. Це явище спричиняє звук грому. Коли блискавки протікають у хмарах і не досягають землі, грому немає. Точніше, на далеких відстанях не спостерігається електромагнітна хвиля від таких блискавок за рахунок особливостей формування випромінювання від них.

Блискавки утворюють в атмосфері електромагнітні хвилі, які перешкоджають радіозв’язку. Часом ці хвилі можуть кілька разів обігнути землю. Деякі із них є «свистячими» – названі так через характерний свист, який супроводжує їх у радіоприймачах.

 

Спрайти – назва електричних явищ, які належать до розрядів у верхніх шарах атмосфери. Поділяються на, власне, спрайти, а також джети та ельфи. Вони можуть утворюватися на висоті 50-130 кілометрів. Блакитні джети – приблизно на висоті 20-50 кілометрів, тобто у стратосфері. Спрайти – на висоті 50-90 кілометрів, тобто у мезосфері. Та ельфи – приблизно на висоті 90 кілометрів, і протікають вони не вертикально, а горизонтально. Вони можуть досягати меж космосу.

Про природу утворення цих блискавок відомо дуже мало, однак зазвичай вони супроводжують грозовий фронт, який проходить знизу. Саме явище було випадково зафіксоване у 1989 році, коли американські фізики запустили камеру для спостережень на великій висоті. Після цього були помічені десятки таких спалахів на записах із супутників. Залежно від висоти та складу атмосфери, спрайти мають різне забарвлення. Нижче, де атмосфера більш насичена киснем, забарвлення синє, блакитне та біле. На більших висотах забарвлення стає червоним.

 

 

Чи є ймовірність, що така блискавка може потрапити у об’єкт над хмарами?

 

Така ймовірність є. Цікавість до спрайтів та інших таких блискавок і їхнє інтенсивне вивчення якраз пов’язані із тим, що ними може бути пошкоджений космічний апарат, який запускається із поверхні Землі, і який перебуває у висотному діапазоні від 5-10 кілометрів до 80 кілометрів. Не йдеться навіть про літаки, адже вони можуть бути уражені ударом міжхмарної блискавки або звичайної блискавки хмара-земля.

 

Зокрема внаслідок блискавки відбувається електромагнітний резонанс, про який ми вже згадували. Він пов’язаний із розмірами об’єктів, вздовж яких або всередині яких поширюються електромагнітні хвилі, спричинені цим явищем. Перший параметр – це довжина екватора Землі. Другий параметр – це висота іоносфери. Адже дві поверхні, які проводять ці хвилі, – поверхня планети та нижня межа іоносфери.

 

Ближче до полюсів більше можливостей для коливання, чому сприяють явища космічної погодиКосмічна погода – явища, що відбуваються у навколоземному космічному просторі, іоносфері та верхніх шарах атмосфери., сонячні спалахи. Справа в тому, що заряджені частинки із високою енергією досягають із сонячним вітром усієї сфери Землі, відображаються на магнітному полі планети, яке є захисним екраном. Але вони розподіляються вздовж магнітних ліній. Магнітні силові лінії сходяться сюди, до полюсів. Тож, оскільки на полюсі вони сконцентровані, то тут можливі різні нелінійні ефекти, коли, наприклад, відбувається висипання цих заряджених частинокВисипання заряджених частинок – це явище, за якого високоенергетичні заряджені частинки потрапляють із магнітосфери в атмосферу Землі. Це трапляється за рахунок деформації магнітного поля Землі внаслідок сонячних спалахів та інших явищ космічної погоди. і з’являється додаткова радіація. Тобто додаткові електрони з великими швидкостями найімовірніше потраплять вздовж магнітних силових ліній саме до приполярних областей.

 

Але трапляється, що ці електрони потрапляють і не до приполярних областей?

 

Так.

 

Як це може вплинути на процеси в атмосфері?

 

Загалом я досліджував те, як такі збурення впливають на поширення радіохвиль, які використовуються людьми для зв’язку та навігації. Джерелом збурень є Сонце.  Процеси, які там відбуваються і ефекти яких досягають Землі, можуть дуже сильно впливати на нашу планету. Один із відомих фактів – це зникнення електрики в сімдесятих роках у Канаді. Внаслідок сонячного спалаху вийшли з ладу трансформаторні підстанції на дуже великій території. Це мало великі економічні наслідки. Через спалах відбулися зміни магнітного поля Землі. Струм, який протікає у лініях електропередач, взаємодіє з магнітним полем. Через спалах стався перепад напруги, і це спричинило пошкодження.

 

 

Станція «Академік Вернадський»

Але це опосередкований зв’язок? Сонце збурило магнітне поле, а воно, своєю чергою, – лінії передач.

 

Так. А за допомогою спостережень за радіохвилями низькочастотних діапазонів можна оцінювати потужність впливу Сонця на Землю, те, як глибоко проникає потік від сонячного вітру, а також опосередкований вплив через магнітне поле на нижні шари іоносфери на висоті 60-90 кілометрів.

 

Потім можна вносити корективи у навігацію?

 

У сфері навігації досить швидко відбувся прогрес. Зараз є супутниковий зв’язок. Але першопочатково навігація працювала у діапазоні частот 10-100 кілогерц. Що більша частота, то більша у неї дальність дії. Що більша довжина хвилі, то менше затухання та більша дальність дії. Амплітуда сигналу від передавача менше змінюється на великих відстанях.

 

Були системи, які працювали у діапазоні наддовгих хвиль – понад 10 кілогерц. Одна із таких систем – американська «Омега» – розташована у декількох рівновіддалених точках земної кулі. До речі, станція «Фарадей»«Фарадей» – колишня назва станції «Академік Вернадський»; її використовували до того, як Британія передала станцію Україні., за планами, мала бути однією з таких точок. Але замість «Фарадея» вибрали південний край Аргентини. Були станції у Норвегії, у Японії. Але відбувся прорив у космічній галузі, і все тепер вирішується за допомогою супутникового зв’язку.

 

А той діапазон частот, який ми вивчаємо, зараз використовується насамперед для зв’язку з підводними човнами. Ці довжини хвиль проходять на певну глибину у воду. Глибина проникнення залежить і від діапазону хвиль, і від провідності товщі води. Щоправда, ця величина здебільшого стала. Характерна глибина проникнення радіохвиль – 20-30 метрів, завдяки чому підводний човен, не піднімаючись на поверхню, може отримати повідомлення.

 

А більш низькі частоти, які вищі від резонансу Шумана, першочергово використовували американці також для зв’язку із субмаринами, але на ще більших глибинах. Проте Штати відмовились від цього проєкту, який був розгорнутий у штаті ВісконсинСША використовували систему «Sanguine» до 1977 року; тепер вони використовують нову систему. Але в СССР, на Кольському півострові (що розташований у Мурманській області між Білим і Баренцовим морями), був збудований передавач із назвою «Зевс». Це кілька протяжних ліній, що тягнуться вздовж поверхні землі і мають 60-70 кілометрів у довжину. Вони випромінювали радіохвилі. «Зевс» зараз і далі працює на частоті 82 Герц.

Панорама із острова Ґаліндез, на якій розташована українська станція

З якою метою «Зевс» працює зараз?

 

Насамперед – зв’язок з підводними човнами на глибині 200-300 метрів.

 

А як далеко?

 

Я брав участь у дослідженнях, які проводилися на антарктичній станції «Беллінсгаузен». Працював там у 1987 році у сезонній експедиції. Ми приймали ці сигнали із Кольського півострова, але на поверхні. Дальність сягання сигналу залежить, зокрема, від діаграми спрямованості передавача.

Але такі радіохвилі також використовують для геофізичних досліджень, чим і ми, власне, також займаємося. За рахунок глибокого проникнення цих хвиль під поверхню землі можна вивчати структуру її провідності.

 

З цього можна робити висновки, наприклад, які породи залягають у надрах?

 

Загалом, так. Але цим займаються вже геологи.

 

Але ось, наприклад, нещодавно у Китаї збудували радіопередавач, який працює в діапазоні декількох десятків Герц. Це можна використовувати для того ж таки зв’язку з підводними човнами. Хоча вони декларують, що для геофізичних досліджень.

 

А з чого ви робите висновок, що це для зв’язку?

 

Із загальних міркувань. У мене, звісно, немає ніякої інформації, лише загальнодоступна.

 

Якщо ми досліджує природне джерело електромагнітних хвиль – вже згадані розряди блискавок – то спостерігаємо більш нестабільні параметри, якщо порівнювати із радіостанцією, де ми знаємо потужність та розташування на поверхні землі. Тож під час досліджень штучних радіохвиль задача дещо спрощується. Але мета спостережень за блискавками – дослідження грозової активності, як вона розподілена по Землі, яка її інтенсивність, які часові та просторові варіювання. А друге – це дослідження нижньої області іоносфери у висотах 60-90 кілометрів. Справа в тому, що до цих висот важко дістатись на постійній основі. Туди не досягають аеростати. Ракети часто запускати ніхто не буде, це трапляється дуже рідко, тож це такі разові випадки. Тому цю область досліджують за допомогою випромінювання радіостанцій та блискавок.

 

 

10 жовтня 2019 року, через шість місяців після нашої розмови, Національне управління з аеронавтики та дослідження космічного простору США (NASA) запустило ракету-носій із супутником ICON (Ionospheric Connection Explorer) завбільшки із холодильник. Запуск відбувся з другого разу, адже на першому заході у літака, з борту якого стартував апарат, були проблеми зі зв’язком. Повідомляється, що супутник успішно досяг орбіти. Його призначення – вивчення іоносфери Землі. В агенції стверджують, що це перша така місія. Вона розрахована на два роки.

 

Я звернувся до Доржа Бату – спеціаліста NASA – по більш докладний коментар щодо цього. На що він відповів таке:

 

ICON – це порівняно легкий сателіт. За рахунок сучасних компонентів важить він десь близько 600 фунтів (приблизно 272 кг). На початку дев’яностих за такого інструментарію він би важив щонайменше тонну. Має невеличкі розміри: десь 3 на 6 футів (менше, ніж 1 на 2 метри). Ідеальні розміри для керування  – невеличкий і легкий. Літає він на низькій геоцентричній орбіті (LEO – Low Earth Orbit), перигей становить десь 360 миль (менше за 600 км). Інклінація – 27, тобто площина його орбіти нахилена на 27 градусів відносно екватора, що дає йому можливість охопити доволі великий шматок території по обидві сторони від екватора.

Той інструментарій, що в нього є, дозволяє нам детально стежити, що відбувається у найнижчих шарах космосу: від 55 до 360 миль (від майже 90 до менше 600 км). Тому, загалом, він і має назву Ionospheric Connection Explorer. Це дозволить вивчити процеси, котрі відбуваються у динамічній зоні нашої атмосфери, де земна погода знизу зустрічається з космічною погодою зверху. У цій ділянці, котра зветься іоносфера, відбувається купа цікавих процесів – від атмосферних рухів до бомбардування Землі зарядженими частинками сонячного вітру. Тутешня погода залежить від багатьох факторів: від того, як нагрівається Земля внаслідок зміни пори року, до наслідків вибухів на Сонці.

 

Щодо того, чи дані з апарату вже почали надходити на Землю, Дорж повідомив:

 

Дані вже почали надходити, але вони потребують розшифровки і тлумачення, цим займаються вчені. Усіма даними займаються кліматологи й інститут геліофізики NASA. Ми ICON тільки рухаємо. Цей апарат – наш улюбленець: проста і надійна система керування. Він передбачуваний і маневрений.

 

 

Як саме ви можете завдяки вивченню хвиль зрозуміти стан іоносфери та як вона змінюється? 

 

Коли хвиля поширюється, то на її шляху трапляються перепони, від яких вона відбивається. Те, як добре чи погано вона відбивається, залежить від магнітних властивостей межі, з якою у неї виник контакт. Можна бачити висоту, де відбувся контакт, а також наскільки щільна у цьому місці іоносфера.

 

А її властивості змінюються залежно від пори року та доби. Чи є властивості, які змінюються нерегулярно?

 

Так, є добові зміни. Сезонні також є. Але трапляються також непередбачувані випадкові зміни.

 

Вони найцікавіші для досліджень?

 

Так. Вони неочікувані, і найбільш несподівано можуть вплинути на зв’язок. Крім  сонячних спалахів впливають також спалахи гамма-випромінювання, які доходять до Землі із далеких галактик і є дуже потужними. Внаслідок цього відбувається відчутна модифікація іоносфери.

 

Яким чином це стається?

 

Це додаткова іонізація, яка проникає достатньо близько до поверхні.

 

Що відбувається з іоносферою?

 

Можна сказати, що іоносфера опускається. Та щільність заряджених частинок, яка в регулярних умовах буває на висоті 60-90 кілометрів, опускається на висоту 30-40 кілометрів.

 

Який вплив чинить іоносфера, коли вона так відчутно змінює положення?

 

Це залежить від потужності явища. Але зазвичай опускається не вся іоносфера, а та сторона, на яку відбувся вплив. Це велика ділянка, але триває це дуже короткий період, адже спалах від гамма-випромінювання відбувається впродовж кількох секунд. Крім того, ці гамма-кванти з великою енергією можуть впливати на супутники. Але оцінку таких явищ, знову ж таки, можна дати завдяки дослідженню модифікації параметрів іоносфери.

 

Це використовують у космічних дослідженнях?

 

Загалом, це можливо. Але це більше використовується навпаки – для вивчення впливу космічних явищ на наше земне середовище. Тобто для оцінки ступеня впливу явищ космічного характеру на верхні шари атмосфери. Крім цього, також проводилися дослідження явищ атмосферного і тектонічного характеру на нижні шари іоносфери. На початку 90-х років або трішки раніше почали з’являтися роботи щодо вивчення зв’язку варіації параметрів сигналів від радіостанцій, які працюють у наднизькому діапазоні частот, із сильними землетрусами. Були виявлені деякі передвісники землетрусів – коли певне збурення у параметрах сигналу радіостанції з’являлося за декілька днів перед сильними землетрусами. Зокрема у Японії у їхньому космічному агентстві був проєкт Frontier. Вони намагалися використовувати досягнення різних наукових галузей, щоб спробувати на постійній основі робити передбачення землетрусів. Одним із напрямків було поширення радіохвиль. І хоча цей ефект був знайдений, проте дослідження досі тривають. На постійній основі ще не навчилися прогнозувати землетруси, але сконцентровані зусилля у цьому напрямку почалися 1995 року.

 

У чому найбільша складність віднаходити взаємозв’язок між передвісниками землетрусів і самими землетрусами?

 

Не розроблена теорія, яким чином цей вплив може здійснюватися. Перед землетрусом спостерігається підвищений рівень радіації внаслідок виходу радону через мікротріщини з-під поверхні Землі у тих регіонах, де має бути землетрус. Внаслідок цього відбувається додаткова іонізація іоносфери – саме через взаємодію з радоном. Друга можлива причина – це збудження акустично-гравітаційних хвиль. Це наслідок того, що відбуваються ледь відчутні коливання земної поверхні, але на дуже великій площі. Спостерігаючи за радіохвилями, можна бачити зміни іоносфери, адже вона має меншу провідність і більше піддатна до всяких збурень. Досліджуючи параметри сигналу, які поширюються від радіостанцій або від розряду блискавок, ми бачимо характеристики нижньої межі іоносфери. Щодо передбачення землетрусів, то для того, щоб зрозуміти, як це може бути, треба зрозуміти механізми, взаємозв’язки, придумати алгоритми.

 

2020 року виходить книга Маркіяна Прохаська, у якій можна буде знайти більше історій про науковців-полярників і дослідження, що проводяться на антарктичній станції «Академік Вернадський».

ТЕКСТ: Маркіян Прохасько
Ілюстрації: Каталіна Маєвська, Маркіян Прохасько
Статті

Повідомити про помилку

Текст, який буде надіслано нашим редакторам: