«Человечество не останется вечно на Земле,
но, в погоне за светом и пространством,
сначала робко проникнет за пределы атмосферы,
а затем завоюет себе все околосолнечное пространство».
К.Э. Циолковский

Валерий Игнатьевич Козлов,
доктор физико-математических наук, главный научный сотрудник лаборатории теории космической плазмы Института космофизических исследований и аэрономии им. Ю.Г. Шафера СО РАН.

1.НА ЗАРЕ КОСМИЧЕСКОЙ ЭРЫ

Каждый по-своему воспринимает начало космической эры, но начало, или точка отсчета, одна на всех — это сигналы первого спутника и имя первого космонавта планеты — Юрия Гагарина. Мое первое ощущение от быстро движущейся, будто внезапно ожившей, звездочки в небе, это - удивление, совершенно одинаковое у меня, еще мальчишки, и у моего отца, убеленного сединами фронтовика, много повидавшего и пережившего. Завороженные, мы, задрав головы, внимательно разглядывали рукотворное создание, стремительно вспарывающее темно-синее небо, теперь уже и не небо даже, а новое, еще непривычное для детского слуха слово — Космос. Кто знает, может быть, эта первая встреча с незнакомым космосом и определило в дальнейшем мое отношение к нему, таинственному и манящему. Но, окончательный выбор был сделан лишь в удивительно солнечный, апрельский день 1961 г., когда я, курсант одесского морского училища, сквозь раскрытые окна учебного корпуса услышал ликующе-торжественный голос диктора возвещавшего о «первом выходе человека в Космос», первом космонавте планеты - Юрии Гагарине (рис. 1). С того момента я, очевидно, и стал одним из множества членов, тогда еще незримо

го, клуба космофизиков «гагаринского призыва».

2.ИСТОКИ

Замысел освоения космического пространства связывается (и не только в России) с основоположником «русского космизма» — Николаем Федоровым и его последователем, Константином Эдуардовичем Циолковским — основателем современной космонавтики. Запуск первого спутника Земли в 1957 г. явился практической реализацией одной из его важнейших идей. Уже через год после запуска первого спутника, были начаты исследования ближайшего к Земле небесного тела, ее естественного спутника — Луны. Следующая важнейшая задача науки и техники — осуществление полета в космос человека. Она была поставлена всем предшествующим ходом развития космонавтики и тем научно-техническим опытом, который был накоплен в результате запусков искусственных спутников Земли и полетов автоматических станций к Луне.

3.ЧЕРЕЗ ТЕРНИИ - К ЗВЕЗДАМ

Чтобы осуществить первый полет человека в космос, нужно было создать пилотируемые космические корабли, способные обеспечить необходимые для жизнедеятельности человека условия, отработать надежные системы ориентации, управления и связи. Большой круг сложных научных и технических проблем был связан с необходимостью решения задачи возвращения первых пилотируемых космических аппаратов (КА) на Землю. Для решения всех этих вопросов с весны 1960 года в Советском Союзе стали проводить экспериментальные запуски КА. Основной целью этих полетов явились отработка надежности пилотируемых систем и проведение необходимых медико-биологических исследований. В августе 1960 года впервые из полета по околоземной орбите с первой космической скоростью был благополучно возвращен на поверхность Земли корабль-спутник. Серия дальнейших полетов позволила накопить достаточный опыт и подготовиться к осуществлению полета человека в космическое пространство. И, наконец, 12 апреля 1961 года в 9 часов 07 минут по московскому времени в Советском Союзе был дан старт космическому кораблю «Восток», пилотируемому летчиком-космонавтом Ю.А.Гагариным (рис. 2).

4.КОСМОС… НА «ЯКУТСКОМ МЕРИДИАНЕ»

С каждым годом усложнялись задачи космонавтики, решаемые с помощью автоматических аппаратов и пилотируемых кораблей. Все эти успехи, а также достижения предыдущих лет планомерно подвели космонавтику к новому этапу развития — созданию на околоземных орбитах долговременных обитаемых научных станций и лабораторий (рис. 3). Дело в том, что Космос — гигантская, неисчерпаемая, бесконечно разнообразная лаборатория, созданная природой. Все в большей степени нуждаются в сведениях из космоса физика, химия, астрономия и многие другие науки. Не остался в стороне от магистрального направления науки и наш Институт космофизических исследований и аэрономии (ИКФИА СО РАН), 50-летие которого будет отмечаться в следующем, 2012 г. - год 100-летия открытия космических лучей австрийским физиком В.Ф. Гессом. На важность этого открытия указывает хотя бы тот факт, что плотность энергии космических лучей в нашей Галактике оказалась сравнима с плотностью энергии межзвездного газа и галактического магнитного поля. Основателем Института и его директором, Юрием Георгиевичем Шафером, была организована Лаборатория космических исследований, в которой создавались приборы для измерения уровня радиации на космических аппаратах (рис. 4).

Этим, прежде всего, объясняется интерес известных космонавтов к нашему Институту, в том числе, и визит «2-го» космонавта Германа Титова (рис. 5).

Это, новое тогда, направление исследований значительно расширило спектр измеряемых энергий космических лучей в ИКФИА. Практически одновременно, в Институте шло расширение диапазона изучаемого спектра энергий в сторону более высоких значений, что позднее оформилось в новое направление – «широкие атмосферные ливни» - ШАЛ (рис. 6). В настоящее время, в теоретическом отделе Института, под руководством чл.-корр. РАН, директора ИКФИА Е.Г. Бережко, развивается теория происхождения космических лучей в остатках сверхновых [1], рис. 7. В последние годы, выявилась значимая роль космических лучей и на обычную погоду [2].

5.ПРИНЦИП «ТЕЛЕ-ВИДЕНИЯ» КОСМИЧЕСКИХ ЛУЧЕЙ

Следует заметить, что изучение космических лучей, есть совершенно логичное освоение крайнего,

ультравысокочастотного диапазона обычного спектра электромагнитных волн (в этой же области спектра находится диапазон рентгеновской и гамма-астрономии). Таким образом, речь идет о бурном развитии астрономии космических лучей (данное направление более известно, как «астрофизика космических лучей»). Очевидность названия - астрономия космических лучей - следует из факта доминирования заряженной компоненты в космических лучах. Как и все заряженные частицы, они подвержены воздействию магнитного поля. Искажения магнитного поля (вызванные, к примеру, взрывами на Солнце), практически мгновенно передаются космическим лучам (рис. 8). В этом, возможности «теле-видения» космических лучей, определяющего суть термина - астрономия космических лучей.

6.КОСМИЧЕСКАЯ ПОГОДА. Начало

Именно эти, казалось бы, совершенно очевидные диагностические возможности космических лучей и подвигли автора статьи на создание в 1981 г. в Полярной Геокосмофизической Обсерватории Тикси автоматизированной системы корпускулярной оперативной диагностики (в то время еще не получил широкого распространения термин «Космическая Погода»). Результаты тех многолетних исследований и заложили основы для обеспечения лидирующей позиции ИКФИА в области мониторинга космических лучей в режиме реального времени. Это было отражено в итогах 3-х летнего международного проекта в рамках гранта ИНТАС 2000-2003 гг. - «Ключевые параметры Космической Погоды». По результатам этого проекта и был создан сайт «Арктический Центр Космической Погоды» (см. http://www.forshock.ru).

7.ПОЛНЫЙ «ГУХОР»… в Арктике

Впервые, эффективность предложенного нами наземного мониторинга космических лучей была апробирована в натурном эксперименте, проведенном в июле 1982 в Полярной Геокосмофизической Обсерватории Тикси. Дата проведения была определена просто: в июле 1982 г. отмечался 25-летний юбилей организации в пос. Тикси полярной станции «МГГ» (созданной в рамках Международного Геофизического Года). Старожилы пос. Тикси, возможно, помнят, что весь арктический регион в течение двух недель (с 9-20 июля!) остался полностью без связи: «полный гухор», как «в сердцах» выражались тогда связисты всех родов войск (и гражданские, тоже). Это был, без сомнения, первый и, что удивительно, успешный эксперимент по прогнозу экстремальных проявлений Космической Погоды в Арктике. Доподлинно известно, что во время знаменитого «гухора-82», наша информация о мощнейшей магнитной буре спасла «погоны» многим военным начальникам связи, коих в Арктике тогда было множество.

8.КОСМИЧЕСКАЯ ПОГОДА. В реальном времени

На автоматизированный режим мы вышли уже через год, в апреле 1984 г., когда была проведена полная модернизация системы сбора, регистрации и анализа данных. И тогда же, в 3-й декаде апреля 1984 г. система прошла апробацию во время 10-дневного натурного эксперимента. Тогда впервые, стратосферные измерения космических лучей на шарах-зондах и оптические наблюдения полярных сияний были проведены не по заведенному тогда графику (по нечетным дням недели), а в режиме прогноза. Эффективность проведения измерений космических лучей на шарах-зондах в стратосфере «под прогноз», да и других видов наблюдений, тоже, стала очевидной сразу. В итоге, на всесоюзной конференции 1985 г., создание в ПГО Тикси автоматизированной системы научных исследований было отмечено, наряду с экспериментами на КА серии «Венера», как важные достижения отечественной науки. Представляется, что это и есть те самые «реперные» точки, когда можно говорить о рождении нового, практически очень важного направления, которое именуется в последнее время термином «Космическая Погода» (кстати, есть сведения, что подобный термин впервые упоминается у А.Л. Чижевского).

9.НЕПОСТИЖИМАЯ ЭФФЕКТИВНОСТЬ МАТЕМАТИКИ

Можно кратко перечислить ряд, практически важных, приложений связанных с проблемой прогноза Космической Погоды: надежность систем управления и жизнеобеспечения экипажей самолетов и космических аппаратов, сохранность линий ЛЭП, нефте- и газопроводов, устойчивость сотовой и спутниковой связи, систем навигации GPS, ГЛОНАСС и т.д. Но есть еще один, не совсем ясно к чему относящийся, интересный аспект. В данном случае, речь идет о полярных сияниях, которые по классификации ЮНЕСКО отнесены к самому удивительному и зрелищному явлению природы. Мой коллега по работе, системный инженер-программист Николай Туголуков все поражался: сижу, за компьютером сутками, набиваю «единички-нолики», т.е. перевожу на понятный ЭВМ язык формулы алгоритма прогноза, компьютер что-то урчит и подмигивает мне зелеными огоньками, чтобы я ненароком не заснул и вдруг… сигнал о прогнозе, проще - предвестник. Тут мы все окончательно просыпаемся и выскакиваем наружу, а в полуночном небе начинает разворачиваться настоящее «светопреставление» - сполохи света причудливых форм и движений, огненные занавеси и вихри всех цветов радуги мечутся от одного конца спектра к другому, и обратно (рис. 9). Нет слов, это феерия огня и цвета – удивительное зрелище, но ведь не менее удивительно другое, задает свой вопрос Николай Туголуков: каким образом, все, что я тут проделывал с «единичками и ноликами» на компьютере за сутки до этого, может быть связано с этим седьмым чудом света? Признаюсь, я не сразу смог достаточно внятно ответить на этот, далеко не риторический вопрос коллеги-математика, впрочем, и по прошествии времени, тоже. Ответ на него, не так уж и прост, как кому-то может показаться, мне – нет. Потому что, связано это, возможно, каким-то образом и с непостижимой эффективностью Математики, не так ли?

10.ПРОБЛЕМА БЕЗОПАСНОСТИ. Наедине с Космосом

Продуктивность выбранного нами подхода уже начинает оправдываться. Получены обнадеживающие результаты по практической реализации среднесрочного прогноза, так называемых, гелиосферных бурь (геоэффективных периодов 11-летнего цикла) c заблаговременностью порядка ~1 солнечного оборота (см. http://www.forshock.ru/predlong.html). В отличие от известных геомагнитных бурь, они существенно больше по пространственным и временным масштабам. Очевидно, что необходимо также решать и задачу долгосрочного прогноза солнечной активности. Это важно при планировании долгосрочных экспериментов в Космосе и осуществлении длительных полетов человека к Луне и планетам солнечной системы, которые уже запланированы на ближайшее десятилетие. Без возможности обеспечения долгосрочных прогнозов большинство экспериментов в околоземном космическом пространстве и, прежде всего, дальние перелеты - будут обречены.

11.«СБОЙ» СОЛНЕЧНЫХ «ЧАСОВ»… ПОДТВЕРДИЛСЯ!

И такая возможность существует. В принципе, на Солнце могут реализоваться своеобразные «пробелы» или «окна» в солнечной активности. На возможность подобного сценария указывал автор статьи 5 лет назад [3]. Следует заметить, что подобные «сбои» регистрируются, грубо говоря, не чаще одного раза в столетие. Наиболее же длительный сбой наблюдался лишь во времена Галилея (со второй половины 17-го и в начале 18-го века), которому и принадлежит честь открытия пятен на Солнце, с помощью им же изобретенного телескопа. Важно заметить, что прогноз текущего сбоя 11-летней цикличности не обошелся без космических лучей. В итоге, удалось выявить закономерность, общую для большинства солнечных циклов. Речь идет об обнаружении Инварианта: «амплитуда-длительность» [4]. Во-первых, это указывает на автоколебательную природу механизма 11-летней цикличности, регулирующего температуру Солнца, сохраняя ее постоянной путем «стравливания» избытка энергии дискретными (за цикл) «порциями». Во-вторых, обнаруженный нами низкочастотный «дрейф» периода 11-летнего цикла №23 (начавшийся еще в предыдущем цикле №22), указывал на ожидаемый сбой 11-летней цикличности [5].

12.ВОЗМОЖНЫ ЛИ «ОКНА» В СОЛНЕЧНОЙ АКТИВНОСТИ?

Сейчас, по прошествии 5 лет этот факт «сбоя» солнечных «часов» случившийся в современной истории Солнца, не может быть оспорен. В настоящее время, мы уже находимся, как минимум, на стадии неординарного спада солнечной активности и, как максимум, в начальной стадии затяжного сбоя 11-летней цикличности [6]. Это и может быть тот самый «пробел» или «окно» в активности Солнца, когда риск попасть на экстремальные проявления солнечной активности может быть сведен к минимуму. О возможности появления подобного «окна» в солнечной активности в течение ближайших 10 лет и сообщалось автором данной статьи на всероссийской конференции «Плазменные процессы в системе Солнце-Земля», проходившей с 14-18 февраля с.г. в Институте космических исследований, ИКИ РАН (рис. 10), в г. Москве.

Литература

1. Бережко Е.Г. Происхождение космических лучей: современное состояние проблемы // Наука и техника в Якутии. – 2007. - №2 (13). – С. 3-7.
2. Крымский Г.Ф. Космические лучи и погода // Наука и техника в Якутии. – 2005. - №1 (8). – С. 3-6.
3. Козлов В.И. Грядет ли сбой 11-летнего солнечного цикла // Наука и техника в Якутии. – 2006. - №1 (10). – С. 11-14.
4. Козлов В.И. «Аномальная» активность Солнца в «слабых» циклах 20 и 23 как проявления инвариантности 11-летнего цикла // Солнечно-Земная физика. Иркутск - ИСЗФ. – 2008. – Том 1. Вып. №12. – С. 32-33.
5. Козлов В.И., Марков В. В. Вейвлет-образ тонкой структуры 11-летнего цикла по исследованию флуктуаций космических лучей в 20-23 циклах // Геомагнетизм и аэрономия. – 2007. – Том 47, №1. – С. 47-55.
6. Козлов В.И., Козлов В.В. Низкочастотный дрейф периода 11-летнего цикла №23 – как предвестник «фазовой катастрофы» // Тезисы доклада на Всероссийской конференции «Физика плазмы в солнечной системе». Москва – ИКИ РАН. 2011. С. 20. http://solarwind.cosmos.ru/txt/2011/conf2011thesis.pdf