Руководитель Центра космического мониторинга НИИЯФ МГУ, д. ф.-м. н. Владимир Калегаев
Об успешной работе Центра космического мониторинга НИИЯФ МГУ в течение двух последних лет, о его особенностях, а также о намеченных планах рассказал в интервью его руководитель, доктор физико-математических наук Владимир Калегаев.
- Владимир Владимирович, как работает Центр, начиная от получения данных от источников и вплоть до выдачи результата пользователю сайта?
- Вкратце хотелось бы сказать об истории Центра. Изначально он создавался для хранения информации космических экспериментов в базе данных. После мы создали Web-сайт (http://smdc.sinp.msu.ru), который и по сей день позволяет пользователю свободно получать эту информацию из базы данных. Впоследствии мы добавили возможность получать пользователю данные в реальном режиме времени. Кроме того, пользователю предоставляется готовый анализ и прогноз отдельных факторов космической среды под воздействием солнечной активности - космической погоды.
Как работает Центр? У нас есть некий список параметров, которые требуются для того, чтобы мы пришли к какому-то заключению о том, что происходит в околоземном пространстве. А используем мы данные космических экспериментов НИИЯФ МГУ, которые проводятся на отечественных космических аппаратах, и данные с сайтов, на которых хранятся результаты измерений на различных спутниках. Все необходимые данные мы получаем по графику загрузки с помощью наших компьютеров автоматически, подключаясь к внешним серверам. Затем полученные данные в автоматическом режиме анализируются с помощью операционных моделей распространения солнечного ветра, геомагнитной активности, радиационной обстановки. Результатом становится совокупность данных о текущем состоянии околоземного пространства, которые публикуются на сайте космической погоды НИИЯФ МГУ (http://swx.sinp.msu.ru).
Хотелось бы отметить огромный вклад сотрудников отдела оперативного космического мониторинга: С. Бобровникова, В. Бариновой, И. Мягковой, С. Доленко, Ю. Шугай, В. Широкого, Л. Мухаметдиновой, - в создание различных систем этого сайта.
- В чём отличие Вашего Центра от остальных?
- Как у всех научных организаций в России, у нас есть своя исторически сложившаяся специализация - космическая радиация. Это все знают. НИИЯФ МГУ – главный центр экспертизы в области изучения радиационных условий в космосе. В НИИЯФ разработано множество научных приборов для российских космических миссий, в НИИЯФ созданы модели космической радиации и изучается её воздействие на космические материалы. Логично, что и анализ радиационных аспектов космической погоды выполняется в НИИЯФ.
Особенность нашего Центра космического мониторинга НИИЯФ МГУ в том, что через сайт мы предоставляем описание текущего состояния околоземного космического пространства, главным образом - радиационного.
Мы отслеживаем такие явления, как внезапное возрастание уровня космической радиации - протонное событие. Это когда произошла вспышка на Солнце, и на Землю пришёл поток энергичных частиц от Солнца. Прогнозировать такое явление очень сложно даже после регистрации вспышки на Солнце, потому что протоны могут прийти к Земле примерно за полчаса, а могут и уйти в сторону, и на Земле мы ничего не увидим. Поэтому наблюдать за изменениями потоков таких частиц необходимо в мониторинговом режиме.
Возрастания потоков энергичных частиц могут очень легко привести к нарушениям в работе спутниковых электронных систем. Энергичные частицы проходят сквозь обшивку космического аппарата и разрушают внутреннюю структуру электронных микросхем. Используемые в настоящее время совершенные технологии, приводящие к созданию более «миниатюрной» электроники, делают её более подверженной опасному воздействию энергичных частиц. При анализе возможных эффектов протонных событий важно знать положение космического аппарата и структуру магнитосферного магнитного поля, которая зависит от уровня геомагнитной возмущённости.
Цель системы космической погоды НИИЯФ МГУ – предупредить о возможных изменениях радиационной обстановки, которые могут произойти в связи с солнечной или с геомагнитной активностью.
- На Вашем сайте пользователь видит то, что сейчас, в данный момент происходит в магнитосфере нашей планеты?
- «Сейчас» - понятие условное. Нужно время, чтобы первичная телеметрическая информация со спутника поступила на наземный пункт приёма, где она будет подвергнута первичной обработке. На это уходит время, так что мгновенное отображение принятой информации невозможно. В зависимости от типа орбиты и возможностей передающей системы аппарата, от качества наземной системы обработки данных задержка составляет от нескольких минут до нескольких часов. Такие задержки допустимы при анализе радиационных условий в космическом пространстве.
Подстраиваясь под график работы с двумя отечественными спутниками, где стоит операционная аппаратура НИИЯФ МГУ, мы раз в полчаса забираем данные с геостационарного спутника «Электро-Л1» и два или три раза в день получаем данные с низкоорбитального спутника «Метеор-М1». Эти два спутника предназначены для регистрации потоков электронов и протонов в магнитосфере Земли, они дают нам основную информацию о радиационном состоянии космической среды.
Для максимально полного анализа космической погоды нам необходимы данные с зарубежных спутников. К счастью, эти данные доступны на специализированных сайтах. Качество современных наземных систем приёма и обработки космической информации позволяет получать такую информацию с разумными задержками. Так системе обработки информации с геостационарного спутника Национальной океанической и атмосферной администрации (НОАА) США GOES (Geostationary Operational Environmental Satellite) необходимо около пяти минут на подготовку данных о потоках заряженных частиц для сайта космической погоды НОАА. В данном случае, как и в случае с российскими геостационарными аппаратами, мы получаем данные с небольшой, но допустимой задержкой.
Ключевое значение для систем космической погоды имеет спутник ACE (Advanced Composition Explorer, NASA), отслеживающий параметры солнечного ветра в окрестности точки Лангранжа L1 на расстоянии около полутора миллионов километров от Земли. Здесь притяжение Солнца и Земли одинаково, поэтому спутник может постоянно находиться в области течения солнечного ветра. Из-за того, что АСЕ находится между Солнцем и Землёй, он передаёт нам информацию о параметрах плазмы примерно на один час раньше, чем потоки измеряемого солнечного ветра достигнут Земли. Здесь мы имеем возможность для предсказаний, так как нам заблаговременно известно состояние межпланетной среды на орбите Земли.
Источником изменений условий в околоземном пространстве является Солнце. Спутник SDO (Solar Dynamics Observatory, NASA) передаёт изображения Солнца, полученные в разных частотных диапазонах. Они позволяют судить о процессах, которые могут оказать критическое воздействие на условия в околоземном пространстве. Наблюдения в ультрафиолетовой частотной области дают изображения Солнца с тёмными и светлыми структурами. Тёмные структуры – корональные дыры. Светлые – активные области, которые могут привести к вспышечному процессу на Солнце, к рождению энергичных частиц, к выбросу корональной массы и, возможно, последующей магнитной буре в магнитосфере Земли. У нас на сайте работает операционная модель распространения высокоскоростных потоков солнечного ветра, созданная сотрудницей НИИЯФ МГУ Юлией Шугай. Модель позволяет по площади корональных дыр оценить скорость солнечного ветра, который будет регистрироваться на орбите Земли примерно через трое суток.
По полученным данным мы можем судить о возможности возникновения потенциально опасных для космической техники явлений в околоземном пространстве. Если мы это видим, мы даем предупреждение.
- Кому, например?
- У нас уже началось сотрудничество с организациями, которые используют наши заключения для управления своими космическими аппаратами. К примеру, «ЦСКБ-Прогресс», Самара, уже сейчас получает от нас оперативную информацию в виде регулярных отчётов о состоянии космической погоды. Если происходит что-то серьёзное, то они просят чаще присылать такую информацию для принятия решений по управлению спутниками. Сейчас у нас с ними идёт обсуждение возможности взаимодействия в этих областях уже на официальной основе.
- Если данные всем открыты, то зачем организациям оформлять договора по взаимодействию?
- Действительно, пользователи могут брать данные с наших сайтов хоть сейчас. У нас они открыты. Другое дело, что это может быть не адаптировано под те задачи, которые им интересны. Например, мы можем давать информацию по радиационным условиям на заданной орбите.
- Прошло два года, как Центр работает в свободном доступе через сайт, к чему Вы пришли, как обстоят дела на сегодняшний день?
- Сейчас у нас некий промежуточный этап. Мы готовим предложение по созданию информационной системы радиационного мониторинга космической среды. Это план дальнейшего развития нашего Центра. Мы рассчитываем, что это предложение будет включено Министерством образования и науки в тематику ФЦП и на его основе будет объявлен конкурс, в котором мы собираемся участвовать.
В то же время мы продолжаем совершенствовать систему, изучаем отклики заинтересованных организаций, чтобы соответствовать запросам наших пользователей.
- Расскажите, пожалуйста, об этом подробнее.
- Мы должны расширять круг источников данных о Солнце и о параметрах солнечного ветра, улучшать модели, расширять количество и повышать качество этих моделей, потому что пока мы можем прогнозировать только малую часть тех процессов, которые происходят в магнитосфере, в том числе и радиационных. Мы должны делать операционные модели, которые бы работали сами по себе, автономно и безошибочно. В этом направлении сейчас и ведётся наша основная деятельность.
- Подобных центров, у которых также открыты данные, множество по всему миру: в России, в США, в Европе, в Японии... Зачем их множить, может быть, правильнее было бы всем объединиться?
- Центры космической погоды создаются разными ведомствами, научными организациями, университетами, которые имеют свою специализацию в разных направлениях космических исследований, критичных для приложений космической погоды: физика Солнца, ионосфера, геомагнитные возмущения, радиационные условия. Организации доверяют своему центру. Они доверяют моделям, которые там созданы, доверяют тем людям, которые там работают.
Также наличие множества подобных центров позволяет провести сравнение прогнозов, потому что любая модель имеет область применимости; в каких-то условиях модель может ошибаться, может давать значительные погрешности. Если разные центры говорят об одном и том же, то это означает, что событие действительно проверено, подтверждено.
- Вы рассматриваете такой вариант, как объединение с каким-либо центром или, может быть, с несколькими центрами?
- Вряд ли мы будем объединяться. Поскольку в каждом центре создана своя инфраструктура и работают налаженные программные комплексы, внешнее вмешательство может нарушить их функционирование. Можно только сотрудничать: обмениваться данными - как данными измерений, так и результатами работы моделей. У нас ведутся переговоры с некоторыми центрами, например, с центром НАСА в Гринбелте. Пока мы не дошли до соглашения, но есть взаимный интерес. Речь идёт о совместных исследованиях, но пока мы не сформулировали принципы этих отношений.
- Планируется дополнительное техническое оснащение Центра?
- Да, сейчас мы готовимся оборудовать зал для оперативного отображения текущего состояния космической среды. Этот зал будет оснащён мониторами, на них мы будем отображать ту информацию, которую мы принимаем в реальном времени. Это необходимое дополнение к вычислительному комплексу и системам хранения информации. Примерно так устроены центры космической погоды НОАА (Боулдер) и НАСА (Гринбелт), где они уже реально развиты, используются на полную мощность. Сотрудники центров имеют возможность наблюдать за всей совокупностью информации и давать собственные заключения о состоянии космической среды.
Не всё можно сформулировать в виде алгоритмов, реализуемых программами, которые понимает машина, есть ещё некое интуитивное понимание, научное. Люди, которые занимаются этими вопросами профессионально, могут увидеть больше того, что можно внести в программу. Поэтому, конечно, такие реальные наблюдения и анализ данных специалистом в реальном времени очень важны. В результате обсуждений рождается синергетический эффект, приводящий к лучшему пониманию того, что происходит в околоземном пространстве.