Науки о Земле

«Четкого понимания физических процессов, которые формируют то или иное возмущение, у нас нет»

О реальности и псевдореальности исследования верхнего слоя атмосферы

Earth Science and Remote Sensing Unit/NASA/JSC

О том, почему Солнце возмущает ионосферу и как ее измерения помогут жителям Гренландии не бояться авиаперелетов, а военным — быть всегда на связи, в интервью Indicator.Ru рассказал младший научный сотрудник Самарского университета им. Королева Петр Николаев.

— Как вы пришли к изучению ионосферы с помощью методов радиотомографии? Увлекала ли вас наука в детстве, что повлияло на выбор такой специализации?

— Я любил читать, родители всегда покупали мне книжки и энциклопедии, у меня дома целая коллекция энциклопедий. С увлечением читал про инженерное дело, астрономию, космос, биологию и искусство. В школе интересы тоже были разнообразные, и гуманитарные предметы — история, литература, и естественнонаучные — физика, биология, математика. Прежде всего, математика. К старшим классам интерес больше склонился в область точных наук: математики и физики — я учился в физико-математическом классе, правда, в самой обычной школе. Над выбором университета я особо долго не думал, сразу хотел в СГАУ (ныне Самарский университет им. Королева — Indicator.Ru) поступать. Выбирал только между специальностями: прикладная математика и информатика или прикладные математика и физика. В итоге я выбрал второй вариант и нисколько не пожалел. Учиться было непросто, зато очень интересно, а, когда пришло время поступать в магистратуру, я обнаружил, что у нас в университете есть другое направление магистратуры, где тоже прикладные математика и физика, но уже на межвузовской кафедре космических исследований. Мне захотелось приложить полученные знания в более узкой специализации. Магистерская выпускная работа была посвящена работе со спутниками, в частности связана с изучением ионосферы: по измерениям задержек от радионавигационных сигналов устанавливался профиль электронной концентрации ионосферы. С этого момента область моих научных интересов обрела конкретные черты. Я принимал активное участие в двух «спутниковых» проектах кафедры, которые развивались параллельно. Один из них — первый студенческий наноспутник «SamSat-218», для которого я разрабатывал систему управления для демпфирования угловых скоростей. Я написал код с этим алгоритмом для бортового компьютера, который потом полетел в космос. Другой проект — наноспутник SamSat-QB50. Он был изготовлен для участия в масштабном международном проекте QB50, проводимого под эгидой Института гидродинамики Теодора фон Кармана (Бельгия). В нем участвовали 50 ведущих университетов, которые создавали свои спутники. Идея проекта в том, чтобы университеты-участники единоразово запустили их в космос и синхронно изучали термосферу — слой, в котором лежит большая часть ионосферы. На нашем наноспутнике был установлен датчик атомарного кислорода для изучения термосферы.

Однако тема по изучению ионосферы привлекала меня больше. Чтобы углубить знания в области ионосферы, с января по май 2019 года я стажировался в Норвегии в Свальбардском международном университете — самом северном университете мира. Там я постигал основы геофизики, изучал радарные исследования ионосферы и физику верхней атмосферы. Эта стажировка обогатила мою научную работу, и в декабре 2019 года я защитил кандидатскую — «Разработка и исследование методов оперативной двумерной томографии ионосферы с использованием межспутниковых измерений».

— Зачем нужно изучать ионосферу?

— Ионосфера — это очень важная оболочка Земли. Если говорить в инженерном контексте, она влияет на распространение радиоволн. Именно ионосфера позволяет использовать коротковолновую связь: мы посылаем сигнал, он отражается от ионосферы и принимается на очень дальних расстояниях. Однако есть и негативный контекст: ионосфера также влияет и на распространение радиоволн, которые испускают навигационные спутники, немного искривляя их путь, что вносит ошибку в вычисление координат приемника, то есть потребителя этого сигнала. И эта ошибка — одна из наибольших в определении его координат. Поэтому так важно изучать ионосферу, формировать новые, более совершенные модели динамической ионосферы. Применение этих моделей позволить нивелировать ошибки, вызванные ионосферой.

— В каких сферах это важно?

— В тех, где участвуют радиоволны, это навигация, связь. В частности, огромную роль знание особенностей ионосферы играет в авиации, потому что многие современные самолеты оснащены навигационно-посадочным оборудованием, использующим сигналы от навигационных спутников. И точность данных здесь критична, если, скажем, для морской навигации допустима точность до полуметра, то в авиации это несколько сантиметров. Поэтому, если случается магнитосферная суббуря или сильные возмущения, то, не зная погрешности, вызванной ионосферой, самолет не может сесть, навигатор дает сбой. Эта ситуация особенно актуальна в полярных широтах, например в той же Гренландии. Люди выбирают для перемещения по острову и за его пределами самолеты, но есть проблема: половину года там темно. Поэтому они ориентируются только по навигационному приемнику, и, когда возникают неблагоприятные состояния ионосферы, определить точно координаты полосы и самолета нельзя, поэтому рейс просто разворачивается и летит обратно. Садиться слишком опасно, есть большая вероятность, что они попросту промахнутся мимо полосы.

У полярных широт есть еще одна особенность, связанная с магнитным полем Земли. Магнитосфера находится в неразрывной связи с Солнцем, при этом Солнце постоянно излучает потоки вещества — солнечный ветер, который также обладает собственным магнитным полем. Когда эти два поля соприкасаются в плазмосфере, линии магнитного поля Земли, принимающие на себя удар, буквально отрываются и перемещаются в противоположную от Солнца сторону: за Землю через оба полюса в теневую часть. Там происходит так называемое замыкание магнитных линий — процесс, во время которого линии, пришедшие с обоих полюсов, соединяются, в результате чего высвобождается магнитная энергия. Это является причиной мощных северных сияний. По этой же причине (взаимодействия магнитного поля и солнечного ветра) наиболее возмущенная ионосфера наблюдается в полярных широтах. Там идет непрерывная циркуляция ионосферных токов, которая зависит как от направления солнечного ветра, так и от других параметров. И в этих широтах наблюдаются различные интересные явления в ионосфере: всплески ионосферной концентрации, которые особым образом перемещаются по направлению к полюсу с солнечной стороны, при этом концентрация ионосферы может увеличиться в 2 раза по отношению к фоновой! Конечно, подобные явления тоже вносят вклад в ошибку определения координат навигационной аппаратурой.

— Все это касается северных стран, то есть для южан возмущения ионосферы не так важны?

— Не совсем так. Ионосфера зависит от очень многих факторов, среди них и радиационные пояса, и солнечная активность, и магнитное поле, и другие. Существует так называемая «бразильская аномалия» — это область, где радиационный пояс практически касается Земли, в силу слабой защиты Земли магнитным полем в этой области. Происходит это на высоте порядка 200–300 километров, это очень близко. И естественно, слой ионосферы, который перемещается вместе с нашей атмосферой, в этом месте испытывает сильное возмущение за счет повышенного высыпания высокоэнергетических частиц от радиационного пояса, что негативно влияет на навигацию, да и сама радиация влияет на работу космических аппаратов, они могут выйти из строя, там все что угодно может произойти.

— Вы также упоминали связь, какова здесь роль ионосферы?

— Благодаря ионосфере мы можем использовать радиосвязь на коротких волнах. И тут на первый план выходят задачи безопасности, потому что коротковолновой связью пользуются военные при разрешении локальных военных конфликтов. Находясь в нужной географической точке, нужно эту связь настроить, а для этого необходимо знать структуру ионосферы. Да, она может иметь средние значения, но если будет какое-то сильное возмущение в ионосфере, связь настроить не получится. С такими сложностями, к примеру, сталкивались американцы в ходе одной из военных операций в Афганистане.

— Насколько хорошо изучена ионосфера на сегодняшний момент?

— Ионосфера подвержена воздействию Солнца, магнитосферы, процессов, происходящих на Земле. Все это влияет на изменение ее параметров. Мы располагаем довольно большим массивом данных, но нам не хватает полного понимания сути происходящих в ионосфере процессов с точки зрения физики. Последние лет тридцать ионосферу изучают в основном методами радиотомографии. Входными параметрами для алгоритмов радиотомографии являются задержки навигационных сигналов, затем эти измерения обрабатываются, чтобы восстановить структуру ионосферы. Но четкого понимания физических процессов, которые формируют то или иное возмущение, у нас нет. И актуальная задача — проанализировав эти измерения, создать действующие физические модели. То, что мы имеем сейчас, это, по сути, просто табличные данные. К примеру: в этой конкретной точке пространства такая-то плотность. Под ними никакой физики не подведено, только самая базовая. А она необходима. Нужны физические модели, которые объясняют формирование того или иного значения концентрации ионосферы, и это важнейшая задача на ближайшие 10–30 лет для мирового научного сообщества.

— Область ваших научных интересов можно отнести и к сугубо научной, и к практической. Кем вы себя ощущаете в большей степени, ученым или инженером?

— Это сложно разделить, но, я думаю, все-таки инженером. Потому что моя диссертация больше инженерного толка, там очень много моделирования. Я применил томографический метод, который ранее не использовался в томографии ионосферы. Я использовал его для решения одной узкой задачи, в которой рассматривалась группировка из пяти низкоорбитальных спутников. Обычно для решения этой задачи все использовали классические в радиотомографии алгебраические методы радиотомографии ионосферы, а я пошел другим путем, что позволило решить те же задачи, но значительно быстрее.

— Поясните, почему все остальные шли «классическим путем» и не использовали метод, предложенный вами?

— Этот метод не применялся в силу определенных ограничений, которые мне удалось преодолеть. В основе радиотомографии ионосферы заложен довольно широкий спектр методов. Его можно условно разделить на две группы: функциональные методы и алгебраические. Оба этих подхода базируются на обратном распределении Радона, которое было получено в 1917 году. Функционал, который Радон получил, стал основой математического аппарата томографии, которая начала развиваться во второй половине ХХ века.

Функциональные методы опираются непосредственно на этот функционал, эту формулу. А алгебраические методы базируются на его свойствах, таких как непрерывность, линейность. Предложенная функция — она аналитическая, непрерывная, и, чтобы работать с реальными данными, необходимо проводить ее дискретизацию. И вся разница в том, что в первом подходе дискретизация происходит в самом конце непосредственно этой формулы, а во втором — в самом начале, причем эта формула даже не используется. Тем самым, во втором подходе задача томографии сводится к решению системы алгебраических уравнений с огромными матрицами, которые только косвенным образом связаны с обратным преобразованием Радона.

Второй подход нашел свое применение в томографии ионосферы по понятной причине: он не требователен к наличию широкого спектра исходных данных. Можно использовать какое-то начальное приближение, то есть модель ионосферы, а потом, на основе измеренных данных, с помощью решения системы алгебраических уравнений это начальное приближение немного корректировать, тем самым формируя более точный профиль.

В первой же группе методов, основанных на использовании преобразований, строго необходимо, чтобы измерений было как можно больше и чтобы при этом они были под разными углами, то есть, если мы рассматриваем слой ионосферы, необходимо изучить его под всеми 360 градусами.

— Это практически нереально.

— Нереально, но фокус в том, что и в этом методе также можно найти способ использовать начальное приближение. И для конкретной задачи — использования низкоорбитальной спутниковой группировки, состоящей из пяти космических аппаратов, — я такой способ нашел. Я смог так подтянуть начальное приближение, чтобы применить функционал Радона. Благодаря этому мне удалось сократить время решения задачи в несколько раз.

— Потому что программа не тратит уйму времени на просчитывание дополнительных алгоритмов?

— Да. Основной недостаток второй группы методов — время решения задачи. Эта матрица в системе линейных алгебраических уравнений имеет порядка 107 элементов, и требуется большое время не только на вычисления, но и на ее формирование: примерно от получаса до полутора часов при обычных мощностях. Понятно, что суперкомпьютер справится быстрее, но его применение не всегда возможно. Предложенный мной метод решает ту же задачу за пару минут. Но это все пока на модельных данных, конечно. Есть куда стремиться, потому что для той же сверхточной навигации в авиации требуется определение состояния ионосферы в псевдореальном времени и краткосрочное прогнозирование.

— Что вы подразумеваете под псевдореальным временем?

— Имеется в виду определение состояния ионосферы, не моментально, а хотя бы за две-три минуты. А краткосрочным прогнозом считается получение профиля от 30 минут до 1 часа. Развитие методов, способных решать эти задачи, очень востребовано сейчас. И в новом проекте нашей кафедры мы хотим применить предложенный мной в диссертации метод к данным, которые мы получим с навигационных приемников, установленных на наноспутниках.

— Расскажите подробнее, что это за проект? Какова ваша роль в нем?

— Сейчас мы работаем в рамках российско-белорусского гранта, который получили в 2020 году. В рамках гранта разрабатывается технология по исследованию ионосферы с помощью наноспутников, на которых в качестве научного прибора будут установлены радионавигационные приемники. Эти приемники принимают сигнал от навигационных группировок, таких как ГЛОНАСС, GPS. И по измерению этих сигналов, их регистрации на борту спутника и дальнейшей обработке возможно оценить структуру ионосферы, то есть определить основные физические параметры ионосферы: это электронная плотность, плотность ионов, ионный состав, температура ионов, температура электронов.

В этом проекте наш коллектив в большей степени отвечает за разработку спутника и приемной аппаратуры для измерения задержек навигационных сигналов, а также за планирование концепта миссии. Белорусская сторона работает больше в теоретическом контексте. Возможно, в результате исследований удастся внести вклад в создание физической модели ионосферы.

— То есть вы разделились на практиков и теоретиков?

— Не совсем так. Мы физически создаем инструмент, а уже все вместе работаем с измерениями этого инструмента, каждый своим подходом. Пока инструмент в процессе разработки, и мы обходимся математическим моделированием. А сейчас я, например, занимаюсь разработкой методики измерений, прорабатываю требования по измерениям радионавигационного приемника, чтобы в дальнейшем мы могли к этим измерениям применять свои методы и подходы.

— Каким образом возможно моделирование, если данных еще нет?

— Точных данных нет, но есть некие базовые представления: о том, какие есть слои в ионосфере, как они распределены в пространстве, какая концентрация в том или ином слое. Есть какие-то модели, например модель IRI (International Reference Ionosphere). Понятно, что они не на 100% точно определяют ионосферу, но какое-то базовое представление им по силам. Эти модели используются для решения прямой задачи. Прямая задача в нашей ситуации — это моделирование измерений, то есть мы знаем, как смоделировать ионосферу, мы ее моделируем, а потом моделируем по ней измерения, которые вытекают из этого состояния ионосферы. Обратная задача — это когда берутся измерения, и необходимо по ним восстановить состояние ионосферы.

Мы надеемся, что данные, которые мы получим в результате нашего совместного исследования, и модели, которые, возможно, удастся создать, внесут свой вклад во всеобщее изучение ионосферы.

Автор: Indicator.Ru