Уникальная установка помогает нижегородским ученым проводить эксперименты в ионосфере

Ученые исследуют далекий космос и его объекты, однако считают, что не менее важно изучать околоземное пространство. В 150 километрах от Нижнего Новгорода для этих целей построена уникальная научная установка – многофункциональный стенд «СУРА».

О ней слышали многие, но далеко не все знают, какие исследования она позволяет проводить. Хотя полное ее название «Многофункциональный комплекс для исследования околоземного и космического пространства» – уже дает некоторое представление о ее предназначении.

В Парке науки ННГУ кандидат физико-математических наук, заместитель директора научно-исследовательского радиофизического института Университета Лобачевского Михаил Гущин рассказал о назначении этой научной установки.

Излучатель, радиопередатчик и приемник

Существует множество мифов. Один утверждает, что «СУРА» якобы используется, как климатическое оружие, она инструмент битвы за ионосферу. Однако эти утверждения не имеют ничего общего с действительностью. В своем классе «СУРА» – это одна из первых специализированных мощных установок. Сорок лет назад она была построена для того, чтобы на коротких волнах нагревать ионосферу Земли.

Основных функций у «СУРЫ» три. Во-первых, упомянутая функция нагревного стенда, то есть излучателя мощных радиоволн зенитного типа. Это фазированная антенная решетка, которая излучает мощное коротковолновое излучение, формирует пучок радиоволн и направляет их в ионосферу, где такие волны могут эффективно поглощаться.

Во-вторых, такой мощный инструмент, как 75-киловаттный радиопередатчик может использоваться в качестве коротковолнового радара для локации объектов как ближнего, так и дальнего космоса.

И, в‑третьих, с некоторыми оговорками это устройство может использоваться как приемник космического коротковолнового низкочастотного радиоизлучения, то есть, служить радиоастрономическим инструментом.

Хотели подсветить столицу

Первое в мире мощное устройство типа нагревного стенда было создано в Советском Союзе в 1961 году. Это была установка НИИ Радио, работающая на частоте 1,35 МГц – близкой к частоте вращения электронов в геомагнитном поле.

Строили ее, чтобы освещать Москву. Было предположение, что если «посветить» в ионосферу, поглотить там много энергии, то возникнет искусственное освещение, и на фонари тратиться не придется.

В 1970 году в США начались эксперименты по воздействию мощного радиоизлучения на нагревном стенде в Платтевилле, в штате Колорадо, а в 1971 году в Аресибо (Пуэрто-Рико). Стимулированы эти исследования были другими задачами. Однако выяснилось, что при включении в какой-то точке мощного радара, который светил в ионосферу, в эфире внезапно появлялись сигналы, которые теоретически никуда дойти не должны были. Стало очевидно, что это явление связано с модифицированием ионосферы мощными радиоволнами. Так было открыто явление ракурсного рассеяния радиоволн, что и стимулировало американскую программу по нагреву ионосферы.

К слову, также была обнаружена генерация искусственного оптического свечения. (То есть ученые, пытавшиеся найти альтернативу фонарям в Москве, были отчасти правы). Однако его яркость оказалась недостаточной для освещения Земли, а для его регистрации требовалась высокочувствительная аппаратура.

Первой специализированной комбинированной установкой, то есть представлявшей собой и радиотелескоп, и нагревной стенд, стала обсерватория «Аресибо». Этот стенд был очень интересно устроен – в чаше телескопа. Просуществовал он до декабря 2020 года, до момента падения 900-тонной инструментальной платформы (облучателя), что привело к разрушению антенных радиотелескопов и радара некогерентного рассеяния.

На нижегородской земле история нагревного эксперимента началась со стенда «Ястреб» в Зименках, который был возведен в 1973 году в двадцати километрах от Нижнего Новгорода. У него был передатчик мощностью 100 кВт и высоконапраленная антенна из 4х6 диполей. «Ястреб» функционировал до 1995 года.

Открытия, сделанные на «Ястребе» и «Аресибо», дали импульс тому, что в 80 – 90‑х годах в разных странах начинают развиваться программы по созданию мощных крупных нагревных стендов с большими антенными полями и мощностями мегаваттного уровня.

Направления научных исследований стенда «СУРА»

1. Генерация искусственной ионосферной турбулентности. Это не влияет на здоровье человека, но оказывает влияние на радиосвязь.

2. В результате воздействия на ионосферу могут появляться новые каналы радиосвязи, и такое воздействие на нее с помощью нагревного стенда может быть дозировано и использоваться для калибровки спутниковой аппаратуры.

3. Возможна имитация геофизических условий.

4. «СУРА» – естественный радар и локатор, используемый для радиолокации и радиозондирования Луны и других небесных тел.

5. При некоторых доработках стенд может представлять собой уникальный низкочастотный радиотелескоп.

Не имеет аналогов

Практически одновременно появляется EISCAT в Норвегии, HAARP в США на Аляске и наш стенд «СУРА». Эти три установки работают на нагрев ионосферы. Единственная из них среднеширотная – российская.

Норвежская и американская – высокоширотные. Американский HAARP – самый мощный из этих стендов.

Российская установка принадлежит Научно-исследовательскому радиофизическому институту (НИРФИ). «СУРА» расположена возле города Васильсурска Нижегородской области. Стенд окружен сетью приемных пунктов, есть пункты, где развернута магнитно-метрическая аппаратура и установлено оборудование, позволяющее смотреть, что происходит в ионосфере. Часть аппаратуры (ионозонды) в Нижнем Новгороде, часть под Зеленодольском в Татарстане. Последний новый приемный пункт был создан в Крыму, таким образом, сеть получилась довольно масштабная.

Что собой представляет стенд «СУРА»? Это антенная решетка из 144 диполей размером 300 на 300 метров, три передатчика мощностью 250 кВТ каждый, полоса частот 4.0 – 9.5 МГц, ширина луча около 8 градусов в зенитном направлении – луч получается относительно узкий, его можно «качать», то есть отклонять в приделах плюс/минус сорока-пятидесяти градусов в направлении север-юг. Сигнал «СУРЫ» виден хорошо из космоса.

У «СУРЫ» есть юридический статус уникальной научной установки, не имеющей аналогов. В 2020 – 2021 году на деньги правительственного гранта была проведена модернизация установки.

Дотянуться до Луны

Что может «СУРА»? Исследование ионосферы методом искусственных периодических неоднородностей. Этот способ диагностирования придумали нижегородские радиофизики.

Развивается довольно уникальное направление – радиоакустическое зондирование атмосферы. Это комбинированное воздействие на атмосферу с использованием мощного инфразвука и излучения нагревного стенда, что позволяет получать информацию о профиле температуры в атмосфере и ветре.

Как приемник ее антенна может быть радиоастрономическим инструментом, то есть принимать космическое и, в том числе, внегалактическое коротковолновое радиоизлучение. Ей доступны астрофизические процессы, процессы гелиофизические (взаимодействие с плазменным окружением нашей планеты и звездой по имени Солнце), а также ионосферные процессы (может быть взаимодействие установки «СУРА» с разными слоями ионосферы, в том числе избирательно).

Стенд «СУРА» – коротковолновый радар для исследования магнитосферы Земли. Это дает, в том числе возможность исследовать реголит (лунный грунт) методом наземной моностатической радиолокации в КВ-диапазоне. Зондирование Луны с помощью стенда «СУРА» весьма перспективно. Это не фантастика! Кстати, с помощью установки HAARP американцы зондируют Юпитер. Интерес к освоению недр Луны сегодня очень высокий у многих стран. Глубина проникновения в реголит с помощью «СУРЫ» выше и достигает сотни метров. В то время как дистанционная локация в микроволновом диапазоне, а также разведка лунного грунта с помощью спускаемых лунных аппаратов ограничена глубинами нескольких метров.

Также нельзя забывать о том, что «СУРА» – это очень мощный радиопередатчик, охватывающий практически весь мир. Передатчики стенда использовались для трансляции в радиоэфир изображений, которые были приняты радиолюбителями России, а также в странах ближнего и дальнего зарубежья.

Наиболее дальняя точка приема – Новая Зеландия, расположенная в 15 тысячах километров от установки.

Александра Махлина