Роль космической науки в стратегическом развитии страны

Хорошо известно, что Россия в своих конституционных границах занимает первое место в мире по территории. Помимо этого Россия — страна с развитой космической отраслью, содержащей в себе программы исследования космоса для целей гражданского назначения, военного назначения и фундаментальных научных исследований, что неизменно связано с экономическими интересами страны. Особенно это справедливо, когда все вышеуказанные назначения применяются совместно при освоении новых или удаленных территорий Сибири, Арктики, Дальнего Востока с неразвитой в силу целого ряда причин инфраструктурой (например, в Арктике, где связь пропадает на 80 параллели северной широты, а устойчивая связь на 72 параллели). В связи с этим в феврале этого года «Роскосмос» вывел на орбиту первый аппарат арктической спутниковой группировки «Арктика-М» [1], что в перспективе поможет развить ряд направлений в фундаментальной науке, а также в прикладной области. Пока стабильная группировка «Арктика» на орбите находится в стадии развертывания, в высоких широтах по-прежнему преимущество имеют отечественные высокоорбитальная группировка спутников ГЛОНАСС. Вместе с тем не стоит забывать о спутниках американской навигационной системы GPS, которые имеют преимущество на средних широтах, а также развернутой китайской спутниковой системы навигации B?id?u, навигационного проекта Европейского космического агентства Galileo. Для гражданских потребителей функционирующие навигационные системы утвердились в использовании и являются неотъемлемой современной частью социальной инфраструктуры, поэтому требования к их оперативности и надежности возрастают со стороны пользователей. Кроме того, все ГНСС разработаны для военных целей, поскольку в современном мире постоянно возникают угрозы межгосударственной безопасности, что исключает монополию на управление спутниковой системой со стороны какой-либо из стран, обладающей развернутой навигационно-связной системой искусственных спутников Земли в околоземном космическом пространстве. Итак, все системы являются системами двойного назначения, т.е. передают два вида сигналов: для гражданских целей и повышенной точности — для военных потребителей. Поэтому в совокупности развитие ГНСС требует научного подхода и государственного планирования.

В области физики верхней атмосферы и радиофизики важную и актуальную задачу, имеющую научное и практическое значение, представляют влияния неоднородностей ионосферы на распространение радиоволн от спутника до приемника, генерации структурных ионосферных аномалий. Ионосфера — составная часть атмосферы Земли, эта область сама является показателем дифференциальных динамических процессов в системе геосфер [2].

Строение ионосферы. Публичные источники

Гипотезу о существовании проводящего слоя в верхней атмосфере высказывали К. Гаусс в 1839 году, У. Томсон в 1860 году и Б. Стюарт в 1878 году в связи с исследованием магнитного поля Земли и атмосферного электричества [3]. Следом за этим уже в 1902 году, независимо друг от друга, в двух разных странах, Хевисайд в Англии и Кеннели в США продемонстрировали, что для распространения волн радиодиапазона на дальние расстояния необходимо предположить существование области с большой степенью проводимости в высоких слоях земной атмосферы [4].

Затем в 1923 году Михаил Васильевич Шулейкин (1884–1939) рассмотрел особенности распространения радиосигналов различных частот.

Он пришел к выводу, который заключал в себе передовой взгляд о наличии в ионосфере как минимум двух отражающих слоев. Два уровня максимумов электронной концентрации: один на высоте порядка ста километров, а другой на высоте двести километров. Анализируя результаты измерений напряженности поля дальних радиостанций в различных пунктах земной поверхности, он пришел также к выводу о существовании в ионосфере неоднородностей, имеющих слоистую форму облаков [5]. Радиофизические исследования верхней атмосферы Земли имеют почти вековую историю и внесли большой вклад в решение проблем распространения радиоволн, в наши знания об ионосфере. Развитие этого нового пути в области физики осуществилось буквально на стыке радиофизики и физики космической плазмы, и это в большой степени способствовало достижению значительных успехов в этой области [6]. На основе эффектов взаимодействия радиоволн со средой разработаны и продолжают развиваться методы дистанционной диагностики ионосферы и атмосферы. Развиваются методы радиотомографии (РТ) [7]. Проводились исследования с использованием низкоорбитальной радиотомографии, которая позволяет получать двумерные сечения ионосферы. В связи с развитием глобальных навигационных систем, появились методы высокоорбитальной радиотомографии, позволяющие получать четырехмерные (пространственно-временные) распределения электронной концентрации. Физический факультет Московского университета на переднем крае науки успешно ведет работы в области радиотомографии ионосферы. Впервые в мире были получены изображения локализованных неоднородностей ионосферы (на основе дифракционной РТ), реконструированы радиотомографические сечения глобальной структуры ионосферы (лучевая РТ), получены пространственные распределения флуктуаций электронной плотности (статистическая РТ). С использованием методов радиотомографии ионосферы были исследованы разнообразные ионосферные возмущения естественной природы и эффекты, стимулированные искусственными воздействиями.

За разработку метода спутниковой радиотомографии ионосферы заведующий отделением геофизики и кафедрой физики атмосферы физического факультета МГУ им. М.В. Ломоносова профессор Куницын Вячеслав Евгеньевич (1955–2015) был удостоен Государственной премии Российской Федерации в области науки и техники в составе авторского коллектива с участием сотрудников МГУ, ИЗМИРАН и ПГИ.

В последние годы при активном участии профессора В.Е. Куницына совместно с Полярным геофизическим институтом РАН была развернута первая российская трансконтинентальная радиотомографическая цепочка станций, расположенных приблизительно вдоль одного геомагнитного меридиана от архипелага Шпицберген до юга России. Это единственная в мире томографическая система, имеющая протяженность около 4000 км. По измерениям на этой цепочке были получены уникальные РТ-реконструкции, отображающие широкий спектр ионосферных явлений в секторе от низких широт до полярной шапки. Работы по созданию таких систем под руководством профессора Куницына В.Е. проводились в рамках Федеральной целевой программы геофизического мониторинга территории России.

Исключительное и наиважнейшее для практики свойство ионосферы — отражать радиоволны. Другими словами, ионосфера играет роль природного зеркала Земли. Благодаря этому можно создавать линии радиосвязи на очень большие расстояния, что побудило исследователей многих стран начать интенсивные экспериментальные и теоретические исследования структуры ионосферы, а также процессов, происходящих в ней, с использованием при этом радиоволн. С большой уверенностью можно сказать, что все распространение электромагнитных волн, радиоволн, по сути дела, вся наша цивилизация держится на распространении волн в ионосфере. Поэтому чрезвычайно важно знать ее свойства. Возмущения ионосферы проявляются в вариациях параметров среды: электронной концентрации, температуры ионов и электронов, полного электронного содержания, а также атмосферных полей температуры, давления, влажности, относительно средних значений, характерных для данного места, времени, высоты, солнечной и геомагнитной активности [8]. Индикатором неоднородной структуры ионосферы и атмосферы можно считать индекс рефракции (приведенный коэффициент преломления) радиоволн [9]. Преломление радиоволн и их скорость различны при распространении в ионизованной среде. Рефракция в радионаблюдениях сводится не только к изменению направления на источник, но и к изменению длины пути луча или, по-другому, к набегу фазы.

Расстояние между космическим аппаратом и приемным пунктом измеряют с помощью модулированных сигналов путем определения времени распространения радиоволн ?t [10]. Но ионосфера Земли вносит заметную погрешность при определении дальности. Этот эффект связан с тем, что скорость распространения радиоволн в ионосфере отличается от значения скорости света и лучевые линии искривлены. Поэтому истинное расстояние между передающим и приемными пунктами будет отличаться от измеренного на величину задержки ?L. Дополнительный набег фазы в пунктах наблюдения зависит от состояния ионосферы, которое определяется как временем года и суток, так и локальными условиями.

Таким образом, при исследовании области ионосферы, имеет место решение обратной задачи: изучение свойств радиосигналов вследствие влияния на них проводящей среды. Чем точнее и обширнее знания о среде распространения радиоволн, тем надежнее будет их применение в различных целях, что в перспективе, разумеется, улучшит качество глобальной навигационной спутниковой системы. Поскольку не только создание, но и эксплуатация ГНСС — очень сложный и дорогостоящий процесс, который может принадлежать, да и под силу только государству страны-разработчика, потому что обладает стратегической направленностью. В рамках стратегического развития отечественной глобальной навигационной спутниковой системы целесообразно государственное планирование. Что получило свое отображение в «институте майских Указов» Главы государства, как одна из важнейших национальных целей развития. Институт «майского Указа», став основополагающим шагом в системы целевого (по Аристотелю «телеологического») государственного планирования, устанавливает в системе государственного управления большие цели и длинные горизонты стратегического планирования. Фактически внедряет на верхнем уровне управление по целям. При этом в Послании Главы государства Федеральному Собранию 2018 года сформулировано основание этих больших целей: в сущности сформулирована идея развития России — быть государством с гарантированным суверенитетом, одним из мировых лидеров экономического, технологического, социального развития [11]. В сформированные цели укладывается научный подход к развитию отечественной глобальной навигационной системы, которая дает преимущество в вопросах суверенитета, технологического, социального развития стране, обладающей собственной технологией спутникового позиционирования. Обращаясь к лучшему отечественному опыту и современным практикам, возможны следующие ключевые решения по научному и технологическому развитию ракетно-космической отрасли, включая ее комплексное развитие и увеличение мультипликативного эффекта для экономики в целом: повышение связанности территории России за счет надежности, оперативности, доступности, постоянного увеличения преимуществ использования ГЛОНАСС, создания интеллектуальных транспортных и телекоммуникационных систем, освоении и использовании космического и воздушного пространства, Мирового океана, Арктики и Антарктики [12].

Система современного управления приоритетными технологическими проектами должна обеспечивать высокую концентрацию необходимых ресурсов и «бесшовное» взаимодействие в одной организационной структуре фундаментальной, прикладной науки, опытно-конструкторских, проектных, строительных организаций, административных звеньев, конкретных предприятий [13, 12]. В этой связи целесообразно формирование по приоритетам развития адекватного организационно-финансового механизма практической работы в форме публично-правовых компаний. Такие компании должны выполнять роль единого компетентного ответственного центра управления по соответствующим направлениям технологического развития [12, 14, 15]

Вместо заключения

С середины двадцатых годов ХХ столетия и до настоящего времени ведется систематическое изучение природного образования, непостижимо красивого, полезного и в той же степени необычайно загадочного и необходимого, получившего название ионосферы, выполняющего основную часть в развитии и протекании ряда геофизических процессов в области ближнего космоса [6]. Поэтому, безусловно, исследования характеристик ионизованной среды и условий распространения радиосигналов ГНСС в ней является важной долгосрочной целью в масштабах стратегического экономического развития страны.

Понятие «энтропия» — степень неорганизованности системы, которая означает меру бесполезного рассеивания энергии — справедливо применяется в экономике. Целенаправленная организация структуры экономической системы ведет к уменьшению энтропии и экономическому росту. И, наоборот, отказ от целенаправленной организации структуры экономической системы — хаотизация экономики — ведет к увеличению энтропии и падению экономического роста, обесцениванию интеллектуального труда. Об этом со всей убедительностью свидетельствует история отечественной экономики [12]. Предыдущие поколения наших соотечественников оставили нам в наследство уникальный опыт подлинно исторической и высокопрофессиональной организации экономической системы, результативно взаимодействующей со всеми направлениями, показавшей в XX веке выдающийся — рекордный для мира результат развития. Экономики увеличивающей, развивающей и раскрывающей человеческий, научный потенциал страны. Экономики больших целей и масштабных проектов, качественного государственного планирования и больших предпринимательских возможностей, самых передовых технологий и высокой эффективности, качественного удовлетворения их социально позитивных и полезных потребностей [12].

Для развития глобальных целей, включающих в себя как необходимую составную часть развитие фундаментальных научных задач с применением возможностей ГНСС, у России есть все необходимое.

Литература

1. Роскосмос [Электронный ресурс]. — Режим доступа: https://www.roscosmos.ru/28966/ свободный — (10.08.2021).

2. Гершман Б. Н., Ерухимов A. M., Яшин Ю. Я. Волновые явления в ионосфере и космической плазме. М.: Наука, 1984. 392 с.

3. Госсард Э. Э., Хук У. Х. Волны в атмосфере. М.: Мир, 1978. 532 с.

4. Дымович Н. Д. Ионосфера и ее исследования. Москва-Ленинград: Энергия, Серия. Массовая радиобиблиотека. Выпуск 513. 1964. 41 с.

5. Шулейкин М. В. Курс радиотехники. Ч. 1. Распространение электромагнитной энергии. М.: Первое русское радиобюро. 1923. 212 с.

6. Бонч-Бруевич М. А. Измерения слоя Хевисайда в полярном районе // Научно-технический сборник ЛЕИС. 1934. Вып. 3. Вып. 4. Вып. 5.

7. Альперт Я. Л. Распространение электромагнитных волн и ионосфера. М.: Наука, 1972.

8. Брюнелли Б. Е., Намгаладзе А. А. Физика ионосферы. М.: Наука, 1988. 528 с.

9. Татарский В. И. Теория флуктуационных явлений при распространении радиоволн в турбулентной атмосфере. М.: изд-во АН СССР, 1959. 230 с.

10. Hofmann-Wellenhof B., Lichtenegger H., Collins J. GPS Theory and practice. Wien; New York: Springer-Verlag. 1997. 389 p.

11. Послание Президента РФ Федеральному Собранию. 1 марта 2018 года.

12. Галушка А.С., Ниязметов А.К., Окулов М.О. Кристалл роста к русскому экономическому чуду. М. 2021. 360 с.

13. Парфаньяк П. А. Картели, концерны и тресты: очерки концентрационного движения в промышленности. Москва.: [Кооп. изд-во]. 1923. 136 с.

14. Кантарович В. Я. Плановое начало в промышленности. — М.: Центр. Упр. Печати ВСНХ СССР. 1925. 108 с.

15. Атлас М. С. Кредитная реформа в СССР. М.: Госфиниздат. 1952. Ред. Дьяченко В. П. 228 с.

Титова М.А., младший научный сотрудник ФГУБ науки ИЗМИРАН имени Н.В. Пушкова, выпускница физического факультета

МГУ 2012 г.