Все новости

Перегретые слухи о нагретой ионосфере. Как и зачем российские физики под присмотром китайского спутника грели небо над Нижним Новгородом

© Анатолий Лапушко / Chrdk.
Летом 2018 года российские и китайские исследователи провели совместный эксперимент по изменению свойств ионосферы, а в начале декабря отчитались о своей работе. Подобные эксперименты часто связывают с разработкой нового оружия, которое в зависимости от фантазии может либо блокировать радиосвязь над заданной территорией, либо вовсе вызывать различные катаклизмы вплоть до землетрясений. «Чердак» решил разобраться в том, зачем ученые создают плазму в верхних слоях атмосферы и чего от этого ждать.

Этим летом расположенный в Нижегородской области комплекс «Сура» использовался международной физикой для создания мощного (в десятки мегаватт — столько потребляет небольшой город) пучка радиоволн, который направляли в верхние слои атмосферы. Пролетавший в это время над европейской частью России китайский научный спутник пытался зафиксировать вызванные излучением «Суры» изменения — и, собственно, проверка возможностей спутника была основной задачей опыта.

Ничего особо интересного найти ученым не удалось. Ранее про российский комплекс писали даже то, что его воздействие на атмосферу может приводить к всевозможным погодным катастрофам и что российские физики решили пойти по стопам американских ученых, которые долгое время работали с аналогичной установкой еще большего масштаба, HAARP. Последний регулярно обвиняется во всех бедах человечества, включая землетрясение 2011 года (то самое, которое спровоцировало цунами по всему Тихому океану и аварию на АЭС в Фукусиме) и ряд тропических циклонов.

«Сура», фотография 1995 года
Описание
«Сура», фотография 1995 года

Но о том, что российско-китайский эксперимент вряд ли был направлен на создание нового оружия, говорит уже то, что результаты опубликованы в журнале Earth and Planetary Physics и выложены в открытый доступ. 

Сама же идея облучения радиоволнами ионосферы тоже, мягко говоря, не нова. Подобные опыты проводили с 1961 года, и новый эксперимент отличался разве что использованием запущенного в феврале 2018 года китайского спутника CSES, он же ZH-1. Космический аппарат позволил физикам проанализировать состояние электромагнитных полей на орбите в момент проведения эксперимента с наземными антеннами комплекса «Сура» в Нижегородской области. Сам же комплекс был создан в 1981 году. За прошедшие десятилетия работающие с ним ученые опубликовали множество статей, и в открытом доступе легко находится даже посвященная изучению ионосферы с использованием «Суры» диссертация. Это далеко не суперсекретный проект, подобный советской ядерной программе.

«Мы делали это на протяжении многих лет, — говорит Деннис Пападопулос, американский физик, который не участвовал в новом исследовании и которого привлекли в качестве независимого эксперта журналисты Motherboard. — Тут примечательна разве что декларация Китаем и Россией своего интереса к данной сфере».

Физик Владимир Фролов из Нижегородского университета им. Лобачевского, указанный в качестве соавтора новой статьи, на вопросы «Чердака» ответил схожим образом, указав, что российско-китайский эксперимент был в общем рядовым событием, которое даже не особо выделяется на фоне предыдущих работ. Исследователь сослался на недавно вышедшую обзорную статью, подписанную рядом физиков из России, Великобритании, Норвегии, США, Франции и ЮАР. Из нее следует, что ничего сенсационного в сфере ионосферных исследований за последние годы не происходило. И говорить о каких-то секретных разработках навряд ли приходится — для секретных программ в этой области слишком тесное международное сотрудничество.

Американские специалисты, например, работали вместе с коллегами из других стран — на сайте Нижегородского университета имени Лобачевского можно найти списки публикаций сотрудников, имевших отношение к экспериментам на HAARP, комплексе для воздействия на ионосферу. Приглашать на главный полигон специалистов весьма нетипично для «секретной оборонной программы», а на Аляске происходило именно это.

Что это такое?

Ионосфера — это часть атмосферы Земли, где много ионов, атомов или молекул с «неправильным» числом электронов, меньше или больше положенного. Электроны отрываются от молекул и атомов под действием ультрафиолета, рентгеновских лучей и прилетающих от Солнца протонов — на высоте в десятки километров всего перечисленного излучения предостаточно.

Слои атмосферы. Оранжевый — тропосфера, белесый — стратосфера, синий с переходом в черный — мезосфера. Видимый на снимке шаттл Endeavour находился еще выше
Описание
Слои атмосферы. Оранжевый — тропосфера, белесый — стратосфера, синий с переходом в черный — мезосфера. Видимый на снимке шаттл Endeavour находился еще выше

Ионосфера, что важно, не состоит при этом исключительно из ионов (один ион там встречается на миллионы молекул!), а ее строение неоднородно: физики выделяют слои с разным составом и условиями ионизации. Кроме того, по высоте ионосфера попадает в ту область пространства, которую принято называть космосом, — всё выше ста километров. Слетавшие туда посмотреть на черное небо своими глазами могут официально именоваться космонавтами (а в США для получения звания астронавта можно ограничится отметкой 85 км).

Деление газовой оболочки Земли на слои вообще достаточно условно и продиктовано сугубо практическими соображениями. Нижний слой, тропосфера, выделен в силу своего интереса для метеорологов, а ионосфера привлекла внимание радиоинженеров, которые еще на заре становления радио заметили эффект отражения радиоволн от чего-то высоко в небе.

Зачем это греть?

Для современной цивилизации ионосфера важна в силу своей способности отражать или пропускать радиоволны. Это влияет на качество радиосвязи, а еще процессы в ионосфере (и выше, в магнитном поле планеты) непосредственно связаны с магнитными бурями. Они, вопреки расхожему мнению, не очень заметно влияют на здоровье людей, но зато могут выводить из строя электронные устройства или даже провоцировать аварии в электрических сетях.

Понимать, когда и при каких условиях может отключиться связь вместе с электропитанием, — вопрос далеко не праздный. Кроме того, знания об устройстве нашей атмосферы могут оказаться полезны и в каком-нибудь неожиданном контексте. Например, электромагнитные всплески в ионосфере отмечались перед землетрясениями, так что китайский спутник неслучайно назвали именно CSES, China Seismo-Electromagnetic Satellite (китайский сейсмо-электромагнитный спутник): геофизики надеются научиться лучше предсказывать подземные толчки в сейсмоопасных зонах.

Нагрев участка ионосферы при помощи радиоволн (по принципу действия это напоминает микроволновую печь) является удобным методом ее изучения. Физики точно знают то, что же именно греется, у них есть возможность наблюдать за выбранным местом с удобных позиций, и вдобавок подобный опыт можно провести со строго заданными параметрами облучения. Сравнивая результаты подобных контролируемых опытов с природными феноменами, можно понять и то, что мы непосредственно проконтролировать не можем, — например, полярные сияния и магнитные бури.

Безопасно ли это?

Уже в аннотации новой публикации можно прочесть, что значительная часть попыток российских физиков устроить возмущение (в переводе с физического: область, где изучаемая среда начинает отличаться от соседних участков) в ионосфере попросту не увенчалась успехом даже после включения антенн на полную мощность. Несмотря на 90 мегаватт уходящей в небо микроволновой энергии, китайский спутник не зарегистрировал никаких эффектов. Лишь в ночное время, когда влияние солнечного излучения уменьшилось, ученые добились заметного повышения ионизации: приборы на CSES зафиксировали как увеличение числа свободных электронов, так и рост температуры плазмы. Очень грубо можно сказать, что физики создали облако, где было больше ионов и, соответственно, оторвавшихся от них электронов, но это ни разу не светящийся и все сжигающий сгусток из фантастических фильмов.

Для понимания масштабов формируемого физиками «плазменного облака» стоит снова сказать о том, что плотность ионосферы, то есть число частиц на сантиметр кубический, соответствует результатам работы вакуумного насоса. В этой плазме на один ион приходятся сотни тысяч молекул. Что же касается мощности, то 90 мегаватт излучения распределяются по объему во много кубических километров. Поделив 90 МВт хотя бы на один кубокилометр, мы получим значение в 90 милливатт на кубометр. Для сравнения: обычный сотовый телефон дает порядка одного ватта, так что радиоволновой энергии в том плазменном облаке меньше, чем вблизи обычного мобильника.

Да, плазма, создаваемая как «Сурой», так и другими аналогичными установками вроде американского HAARP, может светиться. Но если вам очень хочется посмотреть на светящуюся под действием радиоволн плазму, то «Чердак» знает место лучше — в московском ботаническом саду «Аптекарский огород» висят плазменные лампы. За довольно доступную по меркам промышленного оборудования сумму в сто тысяч рублей плазменную лампу можно купить в специализированном магазине — она потребляет киловатт мощности и действительно светит так, что заменяет расположенным рядом растениям Солнце.

Приведем цитату из посвященной опытам на «Суре» диссертации нижегородского физика Алексея Шиндина: «Измерения проводились в темное время суток при безоблачном небе в период, близкий к новолунию». Кроме того, для проявления свечения на снимках, сделанных с экспозицией 15 секунд, применялись специальные алгоритмы — яркость плазменного облака была меньше яркости Млечного Пути.

Полярное сияние или его искусственные аналоги могут нарушать радиосвязь, но никак не вызывать землетрясения, наводнения, и уж тем более такое облако не сожжет попавший внутрь летательный аппарат или ракету.

Дождевые облака внутри тропического циклона (если говорить о причастности ионосферных комплексов к погодным процессам) выделяют порядка одного петаватта тепловой мощности за счет только одной конденсации воды — это в двести раз выше всех электростанций мира, вместе взятых, и во многие миллионы раз больше мощности, доступной «Суре». О том, что все погодные явления разворачиваются на сотню километров ниже области, куда «светят» радиоизлучением физики, говорить вовсе излишне: свыше 99,99% массы воздуха сосредоточено ниже ионосферы.

Безусловно, возмущению ионосферы можно придумать военное применение. Если у вас рядом с противником нашелся сложный и дорогой комплекс, который потребляет электричества примерно как небольшой город (или как самые большие военные радары), то, наверное, можно попробовать устроить неприятелю проблемы с радиосвязью. На применение знаний об ионосфере в военных целях весьма рассчитывали министерства обороны в то время, когда строились и «Сура», и HAARP, но после оба эти объекта переданы гражданским организациям. А сейчас HAARP вообще прекратил свою работу, вместе с соседней установкой HIPAS.

 Алексей Тимошенко