Краткая история Отдела космической радиофизики

    

В 1980 г. в Институте радиофизики и электроники АН УССР (ИРЭ) было создано Отделение радиоастрономии. В него вошел “Теоретический отдел распространения радиоволн и ионосферы” (ТОРРИ), который в 1982 г. был переименован в “Отдел физики плазмы и ионосферы”. В 1985 г. на базе Отделения радиоастрономии был создан Радиоастрономический институт АН УССР (с 1993 г. – Радиоастрономический институт Национальной академии наук Украины – РИ НАНУ) и отдел практически в полном составе перешел в новый институт, поменяв при этом название на “Oтдел космической радиофизики”. Все это время отдел возглавлял Заслуженный деятель науки и техники Украины (1992 г.) докт. физ.-мат. наук, профессор Павел Викторович Блиох. С 1986 по 1998 гг. отделом руководил докт. физ.–мат. наук, профессор Иосиф Моисеевич Фукс, а с 1998 г. по
2012 г. - ученик П.В. Блиоха докт. физ.–мат. наук, профессор Анатолий Алексеевич Минаков. С 2012 г. отдел возглавляет докт. физ.–мат. наук, ст. научный сотрудник Тишковец Виктор Павлович. За время существования отдела были получены две Государственные премии Украины в области науки и техники, премия им. С.Я.Брауде, защищено 8 докторских, более десятка кандидатских диссертаций, издано 7 монографий и один учебник для высших учебных заведений.

    Тематика первых работ отдела в составе ИРЭ АН УССР была направлена на развитие теории распространения радиоволн в реальных средах в интересах радиолокации, связи и навигации с использованием наземных систем. С образованием Радиоастрономического института
основные направления исследований были переориентированы на изучение космических объектов.

   Космические линзы. С запуском в 1957 г. первого искусственного спутника Земли стали активно развиваться исследования околоземного пространства. Были созданы гигантские радары некогерентного рассеяния, позволяющие зондировать всю ионосферную толщу, получили свое развитие также и методы радиопросвечивания ионосферы сигналами служебных и специальных спутниковых передатчиков. Большинство задач распространения радиоволн в ионосфере и магнитосфере Земли в те годы, кроме научного, естественно носило и “прикладной”, т.е. оборонный характер. В 1962 г. в журнале “Геомагнетизм и аэрономия” появилась статья, в которой сотрудники ИРЭ АН УССР А. Я. Усиков и П. В. Блиох рассмотрели абстрактный по тем временам вопрос о линзоподобном действии атмосферы Земли. Эта статья явилась одной из первых работ по исследованию природных линз не только в Харькове, но и во всем бывшем Советском Союзе. Интерес к рассмотренному эффекту, был связан с тем, что в литературе появились предложения об использовании линзоподобного действия атмосфер планет солнечной системы для наблюдения с высочайшим разрешением планет у ближайших звезд или даже для передачи энергии от земных источников на большие расстояния космическим аппаратам.

   Продолжая линзовую тематику ИРЭ, в 1969 г. П. В. Блиох и сотрудник ТОРРИ А.С.Брюховецкий предложили оригинальную идею создания гигантской искусственной ионосферной линзы за счет нагрева плазменного слоя мощным коротковолновым излучением. В этот же период вышла из печати и работа П. В. Блиоха, В. Г. Синицына и И.М. Фукса, в которой было рассмотрено распространение электромагнитных волн в солнечной короне. Исследования по короне были инициированы академиком АН УССР С.Я.Брауде. Практическая необходимость анализа была связана с наблюдениями радиоисточников при их прохождении вблизи диска Солнца. Оказалось, что в декаметровом диапазоне линза - корона Солнца формирует каустическую поверхность, имеющую вид расходящегося конуса вращения. Земля при своем движении по орбите пересекает границу, отделяющую две каустические области “свет” – “тень”. При этом параметры источников претерпевают сильные искажения, которые необходимо учитывать для правильной интерпретации результатов наблюдений.

   Линзовая тематика, возникшая в ИРЭ АН УССР, и продолженная затем в РИ НАНУ, со временем вовлекла в свою сферу большое число ученых из различных научных центров бывшего СССР. Резко увеличилось не только количество исследователей и публикаций, но и существенно возросли масштабы исследуемых линз. Ярким примером этой тенденции явились исследования эффекта гравитационной линзы (ГЛ), которые были начаты в ТОРРИ еще в 1973 г., задолго до экспериментального обнаружения в 1979 г. Д. Уолшем, Р. Карсвеллом и Р. Вейманом первой ГЛ – двойного квазара Q0957+561 A,B. Основу эффекта составляет отклонение лучей света в полях тяготения массивных объектов, которое следовало из ньютоновских уравнений механики, а в последствие, как один из основополагающих эффектов ОТО. В качестве ГЛ могут выступать планеты, звезды, галактики или даже их скопления. Под действием линзового эффекта полей тяготения близлежащих объектов искажается картина заднего фона источников. При этом возможны наблюдения дуго- и кольце- образных, а также множественных изображений одного и того же источника. Количество выявленных ГЛ с каждым годом растет, прежде всего, из-за того, что к их поиску подключились все без исключения крупнейшие обсерватории мира. Интерес к ГЛ эффекту объясняется его актуальными астрофизическими приложениями. С помощью линзового эффекта полей тяготения возможно непосредственное определение таких важнейших космологических параметров Вселенной, как постоянная Хаббла, параметр замедления и выявление “темной” (неизлучающей) массы. Из-за отсутствия в бывшем СССР, на период начала работ в ИРЭ по линзовой тематике, инструментов, пригодных для наблюдений ГЛ (разрешающая способность телескопов в оптике и радиодиапазоне должна быть не хуже одной угловой секунды), П.В. Блиохом и его учеником А.А. Минаковым проводились в основном теоретические исследования. Основными результатами многолетних теоретических исследований явились две монографии: первая в мире монография по ГЛ П.В. Блиох, А.А. Минаков “Гравитационные линзы” (Киев: Наукова думка, 1989.-240с.) и А.А. Минаков, В.Г. Вакулик “Статистический анализ гравитационного микролинзирования” (Киев: Наукова думка, 2010.-в печати), а также защита А.А. Минаковым в 1993 г. докторской диссертации.

    По-настоящему “выйти” на эксперимент удалось только в начале 90-х годов ХХ столетия, когда были объединены усилия теоретиков ОКР и наблюдателей из НИИ Астрономии Харьковского национального университета (в те годы он назывался Астрономической обсерваторией ХГУ). Дружественные связи между теоретиками ОКР и наблюдателями НИИ Астрономии ХНУ еще более усилились после перехода в ОКР в 2001 г. профессионального астронома кандидата физ.-мат. наук Цветковой В.С.

   К началу 90-х годов харьковские астрономы уже имели опыт наблюдений гравитационных линз. Получение качественных изображений таких интереснейших объектов Вселенной, как ГЛ довольно непростая задача. При низкой поверхностной яркости объекты весьма компактны, в связи с чем для их регистрации требуется выполнение ряда жестких условий. К таковым можно отнести наличие эффективного светоприемника, а также телескопа с достаточно хорошим угловым разрешением (большого диаметра) и высококачественной оптикой. Кроме того обсерватория должна быть расположена в регионе с отличным астроклиматом. Проводить наблюдения на инструменте, удовлетворяющему всем перечисленным условиям, у харьковских астрономов удалось в конце 80-х годов ХХ столетия. В это время они проводили измерения на горе Майданак (Узбекистан), используя 1.5-метровый телескоп АЗТ-22, принадлежащий Государственному Астрономическому институту им. Штернберга (МГУ, Москва). Первые изображения ГЛ были получены в начале 1989 г. с помощью электронно-оптических преобразователей (ЭОП), мало пригодных для прецизионных фотометрических задач. Воспользоваться современными цифровыми светоприемниками – ПЗС-камерами, которые в то время уже стали появляться в распоряжении западных наблюдателей, – харьковским астрономам удалось лишь в сентябре 1995 года. Это была скромная любительская ПЗС-камера Pictor-416, принадлежащая сотруднику Потсдамской обсерватории Петеру Нотни, который приехал на Майданак со своей научной программой. Первым объектом наблюдений был Крест Эйнштейна - удивительно красивый объект, имеющий вид четырех попарно симметричных звездообразных изображений квазара, расположенных вокруг ядра достаточно яркой и протяженной галактики. Первые изображения Креста Эйнштейна и положили начало многолетней программы регулярных наблюдений ГЛ на Майданаке в рамках тесного сотрудничества между РИ НАНУ и НИИ астрономии ХНУ, которое успешно продолжается и поныне. Благодаря успешным наблюдениям и полученным интересным научным результатам, в 1997 году сотрудники РИ НАНУ и Астрономической обсерватории были приглашены в Осло для участия в симпозиуме по гравитационному линзированию. Были сделаны доклады о возможностях обсерватории на горе Майданак, проводимых работах по восстановлению изображений в АО ХНУ и теоретических исследованиях, ведущихся в РИ НАНУ.

    Пылевая плазма. В 1981 и 1982 гг. в журнале “Science” были опубликованы сенсационные данные о кольцах Сатурна и Юпитера, полученные при пролетах вблизи этих планет космических аппаратов “Voyager. П. В. Блиох, не откладывая дело на потом, начал с энтузиазмом знакомиться с литературой, посвященной кольцам планет. Его интерес к этим классическим для небесной механики объектам был связан с совершенно новым взглядом на роль пылевых частиц в космическом пространстве. Пролеты “Voyager” выявили необычные свойства мелких частиц, составляющих кольца Сатурна и Юпитера: ничтожно малая толщина колец и их расслоение на множество (до нескольких тысяч) элементарных колечек, переплетения отдельных тонких колечек, и, наконец, самое интригующее – возникновение спицеподобных радиальных неоднородностей (“спиц”), состоящих из микронных и субмикронных пылинок в широком В-кольце Сатурна ”. Все эти аномальные структуры невозможно было объяснить в рамках классической небесной механики. Это удалось сделать только с привлечением сил электромагнитного взаимодействия между пылинками колец. Наличие таких сил в космических условиях объясняется тем, что пылинки обладают не только значительной массой, но и несут на себе достаточно большой электростатический заряд, возникающий под воздействием солнечного излучения и взаимодействия с космической плазмой, которая окружает массивные планеты. В результате взаимодействия заряженных пылинок и частиц космической плазмы (по законам механики и электродинамики) образуется своеобразная квазинейтральная среда, которая впоследствии получила название “пылевая плазма”. Активно заниматься пылевыми структурами в космосе в ОКР начали с ноября 1982 г. Вначале данная тематика привлекла внимание небольшой теоретической группы, состоящей из П. В. Блиоха и его аспирантки В.В. Ярошенко. В начальный период ими, одновременно с американскими учеными, были предсказаны модификации кеплеровских орбит заряженных частиц и впервые сформулирована идея о коллективных взаимодействиях частиц в среде, состоящей из смеси плазмы и космической пыли (1982-1983 гг.). Особое внимание было уделено волновым процессам в плазме, связанным с наличием пылевого компонента. Разработанная волновая теория “спиц” в кольцах Сатурна хорошо согласовалась с результатами наблюдений. На протяжении 1985-1995 г.г. П. В. Блиох и В.В. Ярошенко активно разрабатывали идею о взаимосвязи гравитационных и электростатических волновых возмущений в пылевой плазме с широким спектром размеров (масс) пылевого компонента. В результате исследований была предсказана связь между так называемой джинсовской неустойчивостью нейтральной гравитирующей среды и плазменными волновыми процессами в среде заряженных пылинок. В качестве приложений исследовались волновые процессы и их устойчивость в самогравитирующей пылевой плазме колец планет-гигантов. Были рассчитаны потери энергии движущейся тяжелой заряженной частицы на поляризацию самогравитирующей плазмы, а также предсказана возможность излучения электромагнитных волн нейтральной массивной частицей. Результатом многолетних исследований теоретиков ОКР явилась первая в мире монография по пылевой плазме: Блиох П. В., Синицин В.Г., Ярошенко В.В. “Dusty and Self-Gravitational Plasmas in Space” (Dordrecht, the Netherlands. Kluwer Acad. Publishers, 1995. – 250 p.) и защита В.В. Ярошенко докторской диссертаций (1998 г.).

   Дистанционное зондирование среды и прикладная электродинамика. В 1982 г. из ИРЭ в отдел Физики плазмы и ионосферы ОР был приглашен доктор физ.-мат. наук, профессор И.М.Фукс – специалист по статистической радиофизике, теории распространения радиоволн в случайно неоднородных средах и их рассеяния на шероховатых поверхностях. Он возглавил группу, состоящую из научных сотрудников отдела А.А. Пузенко, Н.Л. Костенко, А.В.Белобров, А.И. Михайловский. В январе 1985 года под руководством И.М.Фукса в отделе была организована лаборатория космической радиофизики. В тесном взаимодействии с экспериментаторами ОР (В.П. Чурилов, Л.И. Шарапов), сотрудниками лаборатории было исследовано влияние поверхности раздела сред на статистические характеристики сигналов мм диапазона, распространяющихся вблизи поверхностей суши и моря; созданы модели для волновых полей, рассеянных на телах сложной формы; изучены флуктуации уровня гауссовского пучка мм радиоволн, распространяющегося в турбулентной атмосфере.

   C 1996 года научная тематика ОКР расширилась, в связи с тем, что в отдел влилась группа исследователей под руководством кандидата физ.-мат. наук Л.И.Шарапова. Ядро группы составляли научные сотрудники Н.В.Горбач, В.Г.Гутник, А.П.Удовенко, инженеры - исследователи Н.В.Рязанцева, Ю.М.Горобец. В период 1989 – 1996 г.г. они входили в состав отдела радиотехнических систем (№19, зав.отделом Л.И.Шарапов), основными направлениями которого являлись исследования распространения коротких миллиметровых волн вблизи поверхности Земли и в нижних слоях тропосферы. Эти научные направления были ранее инициированы руководителем Межведомственной проблемной лаборатории АН УССР и Минобороны СССР, доктором физ.-мат. наук В.П.Чуриловым, в связи с актуальными в то время разработками во всем мире высокоточного оружия 3-го поколения. В этих разработках большое внимание уделялось созданию РЛС и систем наведения по радиолучу с использованием коротких миллиметровых волн, позволявших обеспечить высокую точность пеленгования наземных объектов под скользящими углами и уменьшить влияние мешающих отражений радиоволн от земной поверхности за счет узких диаграмм направленности антенн при сравнительно небольших их габаритах. С целью выяснения ограничений точностных характеристик наземных радиотехнических систем, налагаемых процессами распространения радиоволн были проведены теоретические расчеты (Н.В. Горбач, А.И. Михайловский, И.М. Фукс, Л.И. Шарапов) и выполнен обширный цикл многолетних экспериментальных исследований флуктуаций амплитуды и углов прихода непрерывных и импульсных сигналов 2-х и 3-х миллиметровых волн при распространении над поверхностями суши и моря при различных их состояниях (Н.В. Горбач, В.Г. Гутник, Л.И. Шарапов), в указанных частотных диапазонах были также изучены спектральные характеристики радиолокационных отражений от поверхности и растительности, определяющие эффективность устройств селекции движущихся на их фоне объектов (Н.В. Горбач, В.Г. Гутник, В.Н. Горобец, Г.Г. Майков).

   Кроме этого, было экспериментально изучено обратное рассеяние радиоволн гидродинамическими образованиями, возникающими при движении морских судов. Полученные характеристики сигналов, рассеянные судами и их гидродинамическими образованиями позволили создать модель, описывающую энергетические и спектральные параметры сигналов в зависимости от типов и скорости движения морских судов.

  Еще одним, сугубо прикладным, научным направлением явились исследования распространения радиоволн в волноведущих системах, поверхностные импедансы которых отличны от характеристик стандартных волноводов. Известно, что облучатели большинства зеркальных и линзовых антенн дециметрового и сантиметрового диапазонов длин волн изготавливаются с гофрированной внутренней поверхностью. Использование гофрированных облучателей позволяет формировать осесимметричное поле в раскрыве антенны, что увеличивает эффективность (коэффициент использования поверхности) и поляризационную чистоту излучения, что особенно важно при измерениях поляризации сигналов от внеземных источников. Получение же аналогичных эффектов для радиоволн короче1-3 мм, к сожалению, натолкнулось на ряд существенных трудностей.

  Полученные канд. физ.-мат. наук с.н.с. Удовенко А.П. приближенные аналитические решения дисперсионных уравнений для цилиндрических, частично заполненных волноводов с произвольными электрическими размерами, позволили создать методику определения типов гибридных волны, исследования их спектров и частотной эволюции апертурных распределений в широком классе линий передачи с произвольным импедансом внутренних границ. Для описания излучения из открытого конца реального волновода были получены и экспериментально исследованы характеристики двухпараметрического разложения полей по собственным функциям свободного пространства.

  Результаты исследований были использованы при синтезе фазовых корректоров, антенных систем ряда радиолокаторов миллиметрового диапазона, антенн с низким боковым излучением для комплексов электродинамического моделирования рассеяния, широкополосных облучателей радиотелескопов РИ НАН Украины диапазона 80-120 ГГц.

  В 1996 году части научно-исследовательских отделов института исследования в области распространения радиоволн были сосредоточены на задачах дистанционного зондирования земных покровов с целью определения их параметров и состояния по характеристикам рассеянного или излученного ими сигнала. Определение параметров подстилающей поверхности требует наличия наборов экспериментальных сигналов для различных условий распространения, частотных диапазонов и типов подстилающей поверхности, что связано со значительными временными и экономическими затратами. Одним из решений этой проблемы является разработка моделей отраженных сигналов с характеристиками реальных сигналов. Теоретические модели описывают, как правило, механизмы рассеяния для отдельных простейших типов поверхности. В связи с этим широкое применение получили эмпирические модели, основанные на статистическом анализе экспериментальных данных и дающие описание отраженного сигнала для конкретных условий.

   Существующие в 90-е годы эмпирические модели были пригодны лишь в узком диапазоне длин волн и в ограниченном интервале флуктуаций амплитуд. Для задач практического применения систем дистанционного зондирования в широком диапазоне длин радиоволн в ОКР разрабатывались совместно с сотрудниками отдела статистической радиофизики ИРЭ имени А.Я. Усикова НАН Украины доктором физ.-мат. наук, профессором Г.П. Кулеминым и кандидатом физ.-мат. наук Е.А. Горошко. В этом отделе был накоплен богатый экспериментальный материал по рассеянию радиоволн поверхностью суши и моря в сантиметровом и длинноволновой части миллиметрового диапазона. Совместная обработка экспериментальных данных позволила впервые установить зависимость удельной ЭПР морской поверхности от угла скольжения и скорости ветра в диапазоне частот 1-140 ГГц, оценить вклад капельно-брызговой фракции, образующейся при обрушении морских волн, в формировании рассеянного сигнала, установить законы спадания спектров, отраженных от капельно-брызговой фракции.

  Для теоретических исследований обратного рассеяния волн различными средами, в 2000 г. в отдел был приглашен молодой сотрудник П.В. Литвинов, который перед этим защитил кандидатскую диссертацию в Харьковском национальном университете имени В.Н. Каразина. Через три года (2003 г.) в ОКР был также приглашен и научный руководитель диссертации П.В.Литвинова – Тишковец В.П., на то время кандидат физ. мат. наук ст. н. сотрудник Астрономической обсерватории ХНУ. К моменту прихода в ОКР Литвиновым П.В. и Тишковцом В.П. уже было опубликовано несколько работ по теории многократного рассеяния электромагнитных волн, в частности по теории слабой локализации. Явление слабой локализации имеет важное значения для интерпретации оптических наблюдений безатмосферных небесных тел. В работах П.В. Литвинова и В.П. Тишковца впервые было показано, что характеристики слабой локализации зависят не только от средней длины экстинкции в среде с дискретными рассеивателями, что ранее уже отмечалось в ряде экспериментальных и теоретических работ, но и от их свойств самих рассеивателей (размеров, формы и показателей преломления частиц). В сотрудничестве с М.И. Мищенко, с.н.с. Годдардовского института космических исследований НАСА (США), В.П. Тишковец получил уравнение, описывающее явление слабой локализации волн, отраженных плоскопараллельным слоем дискретной случайной среды, содержащим произвольные рассеиватели. Полученное уравнение справедливо при тех же условиях, что и классическое уравнение переноса излучения, т.е. в модели, предполагающей, что между рассеивателя среды распространяются сферические волны. В дальнейшем был предложен эффективный приближенный метод численного решения полученного уравнения.

  Одним из важных и перспективных направлений в области дистанционного зондирования явилось также исследование влияния ближнего поля на характеристики рассеяния системами частиц и плотноупакованными дискретными средами, которое начало развиваться в отделе с приходом В.П. Тишковца. Современные теории и модели многократного рассеяния излучения дискретными средами базируются на представлении, что между рассеивателями среды распространяются сферические волны. Это представление справедливо для разреженных сред, в которых рассеиватели находятся в дальних зонах друг друга. В таких средах падающая плоская волна и сферическая волна, рассеянная каким-то рассеивателем среды, распространяются в разных направлениях (кроме направления рассеяния, совпадающим с направлениям распространения падающей волны) и поэтому они не взаимодействуют. В результате характеристики рассеяния дискретной случайной средой определяются только переносом излучения в среде и интерференцией пар многократно рассеянных волн, распространяющихся в среде по одним и тем же траекториям, но в противоположных направлениях. Интерференция таких пар волн конструктивна вблизи направления строго обратного рассеяния и реализуется в явлении слабой локализации. Вклад интерференций других пар волн, например, однократно и двукратно рассеянных волн, в данном предположении равен нулю. Ситуация меняется, если рассеиватели находятся в ближних зонах друг друга. Здесь падающее и рассеянное поля связаны. Поэтому для рассеивателей, находящихся в ближних зонах друг друга, вклад интерференции типа интерференции однократно и двукратно рассеянных волн отличен от нуля. В частности, такая интерференция реализуется во взаимной экранировке (затенении) рассеивателей. Еще одно важное проявление ближнего поля в системах рассеивателей, размеры которых сравнимы с длиной волны, связано с возникновением ветви отрицательной поляризации, наблюдаемой у многих безатмосферных тел Солнечной системы. Результатом теоретических исследований рассеяния электромагнитных волн системами рассеивателей и средами явилась защита В.П. Тишковцом докторской диссертации (2009 г.), написание им, в соавторстве с М.И. Мищенко (НАСА, США) и сотрудниками НИИ астрономии ХНУ, Главной астрономической обсерватории НАНУ и КРАО МО, монографии (Mishchenko M. I., Rosenbush V. K., Kiselev N. N., Lupishko D. F., Tishkovets V. P. et. al. Polarimetric Remote Sensing of Solar System Objects (Киев: Академпериодика, 2010.- 291 c.), посвященной поляриметрическим исследованиям тел Солнечной системы, и получение Государственной премия Украины в области науки и техники (2010 г.).