Григорий Бубнов: об измерении астроклимата, экспедициях и диссертации
Чтобы построить наземную обсерваторию, необходимо учесть множество факторов. Один из них – это астроклимат. Мы поговорили с Григорием Бубновым, младшим научным сотрудником лаборатории радиоприемной аппаратуры миллиметрового диапазона ИПФ РАН и Центра криогенной наноэлектроники НГТУ им. Р.Е.Алексеева о том, как происходит измерение этого важного параметра, может ли работа стать приключением и какие навыки пришлось приобрести во время экспедиций.
Какие задачи ты выполняешь в лаборатории радиоприемной аппаратуры?
Как и в любой научно-исследовательской лаборатории, задач много – и теоретического и практического характера. Наверно, самое интересное – это измерение астроклимата. Мы занимаемся этим вопросом с 2012 года, и с тех пор организовали несколько экспедиций в разные точки мира. Также мы занимаемся обработкой собранных данных, готовим статистику, публикуем работы по исследованию астроклимата. Я состою в научно-инженерной группе Вячеслава Федоровича Вдовина, которая помимо собственных научно-исследовательских работ выполняет обширный объем опытно-конструкторских разработок по заказам российских и зарубежных партнеров. Мы специализируемся на криогенном охлаждении разных устройств, в том числе радиоприемников миллиметрового диапазона. Примечательно, что научно-исследовательские и опытно-конструкторские работы в нашей группе зачастую выполняются в рамках больших космических проектов. К примеру, мы тестировали элементы конструкции криогенной антенной системы строящейся космической обсерватории «МИЛЛИМЕТРОН», разрабатывали и изготовляли охлаждаемую приёмную систему для связи с космическими миссиями Фобос-Грунт и Экзо-Марс, установленную на станциях дальней космической связи в Калязине и в Медвежьих озерах под Москвой. Кстати, эта же система почти семь лет принимала данные с космической обсерватории Радиоастрон, успешно завершившей свой полет в прошлом году. Думаю, обо всех проектах, в которых мы принимали участие, лучше рассказать отдельно: каждый из них – это интересная и увлекательная история.
Почему необходимо измерять астроклимат?
Астроклимат – это совокупность метеорологических условий, которая определяет качество астрономических изображений. То есть, если телескоп находится на поверхности Земли, он смотрит на космический объект через атмосферу, которая может искажать изображение или поглощать излучение от объекта. Поэтому снимки с Земли получаются несколько хуже, чем из космоса. В разных диапазонах частот атмосфера действует по-разному. Например, в некоторых радиодиапазонах она может быть практически прозрачной, а в УФ (для длин волн 3000-1800 Å) – озоновый слой не пропускает излучение. Мы чаще работаем в миллиметровом диапазоне длин волн. В этом диапазоне наблюдаются самые интересные эффекты в астрофизике: Космический микроволновый шум, оставшийся от Большого взрыва, процессы формирования и развития звёзд, следы ранее невидимых космических объектов, эффект Сюняева-Зельдовича, процессы динамики джетов в квазарах и многие другие. В этом диапазоне самое интенсивное молекулярное поглощение в компонентах атмосферы, что определяет задачи спектроскопии мм диапазона: расчёт радиотеплового баланса Земли. В основном эти волны поглощаются кислородом и парами воды, содержащимися в атмосфере Земли. Поэтому для строительства обсерваторий выбираются места с холодным, сухим климатом, где содержание этих молекул минимально. Например, высоко в горах или даже в Арктике. Одна из самых лучших обсерваторий ТГц диапазона – ALMA- расположена в пустыне Атакама в Чили на высоте в 5 000 метров. Из тех точек, где мне удалось побывать, самый лучший астроклимат был на горе Мус-Хая в Якутии, несколько хуже- на плато Суффа в Узбекистане, где на высоте 2400 метров строится российско-узбекская обсерватория мм диапазона с главным зеркалом диаметром 70 м. Кстати, наша команда является одним из основных участников коллаборации этого проекта.
Как вы выбираете место, куда необходимо организовывать экспедицию, чтобы измерить астроклимат?
Есть два подхода: разумный и реальный. Первый подход подразумевает, что надо сначала посмотреть, где есть благоприятные погодные условия, и только потом ехать туда замерять астроклимат. Однако не в каждую точку получится добраться: могут помешать сложный рельеф местности, отсутствие дорог и каких-либо других путей сообщения, а также бывают политические причины. Например, практически совсем закрыт Памир, где условия близки к Чили и куда в советские годы наши исследователи ездили с экспедициями. Но возможно политическая ситуация изменится и Таджикистан может стать столь же привлекателен и открыт для России, как сейчас Узбекистан. По территории нашей страны мы можем путешествовать спокойно, а вот вывезти аппаратуру за рубеж будет проблематично. Например, во время экспедиции на Шпицберген, в русский город Баренцбург, мы его отправили довольно сложным путем, все же Шпицберген – это Норвегия. Часть поездок организуется по инициативе руководства и коллег из других институтов, заинтересованных в развитии микроволновых исследований и их результатах (ФИАН, ПГИ РАН, ИПА РАН, КрАО и др.) Если у кого-то есть планы построить обсерваторию в каком-либо месте, мы производим измерения астроклимата по их инициативе. Делается это с помощью специального прибора – МИАП 2 (микроволновый измеритель атмосферного поглощения двухканальный). Таких радиометрических комплексов было изготовлено всего два: один из них, принадлежащий ФИАНу, сейчас работает на обсерватории Суффа, а со вторым, принадлежащим ЦКН НГТУ, мы ездим по экспедициям. Прибор работает по методу атмосферных разрезов, определяя интегральную прозрачность в миллиметровом диапазоне в двух каналах: с длиной волны в районе 2 мм и 3 мм. Это так называемые окна прозрачности миллиметрового диапазона, в которых излучение поглощается атмосферой несколько меньше, чем на окрестных частотах.
Сколько таких экспедиций вы уже провели?
Если измерять по количеству поездок, буквально «выехал из дома – вернулся домой», то 9. Мы были в Якутии, Пущино, Узбекистане, Крыму, на Кавказе, Байкале, Шпицбергене. Если говорить о точках, где мы проводили измерения, то получится больше 20. За одну поездку мы можем посетить несколько мест. Например, в ходе экспедиции на Байкал мы побывали в двух точках: на Саянской солнечной обсерватории ИСЗФ возле поселка Монды мы провели короткий цикл измерений, а затем установили прибор на обсерватории «Бадары» Института прикладной астрономии РАН для автоматической записи параметров астроклимата в течение года.
Какая экспедиция показалась тебе самой интересной?
Сложно выбрать. В каждой из них было множество захватывающих, необычных событий. Мне хорошо запомнилось, как мы организовывали экспедицию на Шпицберген. Идея посетить Арктику возникла у Вячеслава Федоровича в рамках совместных работ на архипелаге с итальянскими коллегами из Римского университета LaSapienza. С 2011 года наша группа участвует в их проекте и вместе с ними запускает стратосферный баллон с телескопом ТГц диапазона OLIMPO на высоту около 35км. Это, кстати, один из сравнительно недорогих и эффективных способов избавиться от поглощения в атмосфере во время астрономических наблюдений. Арктический климат и высота рельефа до 1.5 км являются благоприятными факторами астроклимата. Идея провести там измерения витала у нас некоторое время. И однажды я наткнулся на грант от международного сообщества IEEE (Eugene F Knott memorial research grant) для молодых ученых (я еще со студенческих лет являюсь членом этого замечательного общества). Надо было написать заявку в свободной форме, где рассказывалось бы о целях проекта, его этапах и предполагаемых результатах. В итоге ее одобрили, и я получил грант в размере $2,500. Это помогло нам организовать экспедицию на Шпицберген, которая длилась почти целый месяц. В Баренцбурге мы совместно с российскими коллегами из ПГИ РАН установили прибор МИАП-2, который проработал там в течение года, собирая данные в автоматическом режиме. Также мы помогли итальянским коллегам с запуском стратостата OLIMPO. Есть даже фотографии, как мы вместе монтируем его в ангаре и запускаем со взлетно-посадочной полосы аэропорта Лонгийр. У экспедиции получился очень хороший научный результат: обсерватория на шаре успешно отработала в полете вокруг Земли и приземлилась в Канаде, были получены некоторые астрономические результаты. Но самое главное – аппаратура работала превосходно, а именно она отрабатывалась как прототип будущего приемника миссии «Миллиметрон». Так что, это еще один наш вклад в подготовку космической миссии Спектр -М, как она официально именуется в планах Роскосмоса. Кроме того, мы написали несколько публикаций на эту тему, в том числе и с итальянскими партнерами, а Шпицберген до сих пор фигурирует в том или ином виде в планах наших дальнейших работ. Например, наш руководитель, несмотря на короновирус, на прошлой неделе возобновил подготовку проекта нового договора между НГТУ и университетом LaSapienza об очередном цикле запуска обсерватории «Олимпо». Как только карантин завершится – хоздоговор будет подписан.
Получается, что экспедиция – это полноценный поход. Были ли случаи, когда вам пришлось добираться до места назначения необычным способом?
Реже бывает, когда мы добираемся до места назначения «обычным» способом. За эти 8 лет мне довелось участвовать в экспедициях с использованием самого экзотического транспорта: лошадей, вертолёта, ратрака и снегохода. Пару раз приходилось спускать прибор в рюкзаке по горнолыжному склону на сноуборде, не говоря уж об обычных видах транспорта – самолёт, автомобиль, поезд, морской сухогруз и пр. В 2012 году мы запланировали провести измерения астроклимата на г. Мус-Хая в Якутии. Поехать туда показалось мне сумасшедшей идеей. Мы готовили поездку примерно полгода, включая время на разработку и изготовление радиометра МИАП-2 на базе ИПФ РАН и ЗАО ГИКОМ по заказу Лаборатории криогенной наноэлектроники НГТУ. Составление маршрута и подготовка транспорта прошли довольно быстро, мы воспользовались услугами местных гидов из Якутского научного центра РАН.
От ИПФ в экспедицию отправились трое сотрудников: я, Евгений Борисович Абашин и Степен Юрьевич Дрягин. Сначала мы прилетели в Якутск, где нас встретил наш гид, Павел. Затем 36 часов мы ехали в «буханке» по горной дороге. Пыльно, шумно, трясет. Останавливались только немного передохнуть и заправиться. Так мы добрались до поселка Ючюгей, и на следующий день отправились на гору Мус-Хая на лошадях. Это было неожиданно: мы выбирали себе лошадей, как машины напрокат. В пути нас сопровождал каюр с сыном и двумя собаками. И всей этой честной компанией нам предстояло преодолеть более 100 километров по сибирской тайге.
Мы шли 5 дней. По пути мы несколько раз форсировали реку на лошадях, переходили вброд. Вообще, без провожатых в тайге нельзя. Одна из основных опасностей в тех местах – это медведи, поэтому каюр взял с собой ружье. Периодически он даже подстреливал нам дичь. При этом он каждый раз предупреждал нас, чтобы мы слезли с коней на землю, потому что лошади брыкались из-за выстрелов. Пару раз конь меня всё же скинул. Когда добрались до лагеря у подножья горы, нас встретила совместная научная группа по изучению криосферы из Японии и Якутска. Сама гора Мус-Хая высотой всего 2959 метров, а наш лагерь был расположен у подножья ледника – около 2 000 метров. В лагере нас встретили товарищеским ужином: в большой армейской палатке с походной едой. За столом разговаривали на 5-ти языках: русский, английский, японский, якутский и эвенкский – наш каюр с сыном относились к этой редкой национальности Якутии. Нам очень повезло, что у японской экспедиции был вертолет, и обратно нам удалось вернуться на нем. Кстати, обратно весь пятидневный путь каюр с сыном, но без оборудования и нас – сомнительных наездников, проделали всего за день.
Еще однажды, во время экспедиции на Эльбрус, мы поднимались на ратраке. Наша задача была подняться на технике как можно выше и провести там кратковременный замер прозрачности атмосферы. Сначала на канатной дороге мы доехали до конечной станции «Мир», а затем пересели на ратрак. Он поднял нас на высоту в 4 200 метров, так называемый «Приют 11». В рюкзаках у нас были только термос с чаем, прибор МИАП-2 и бензогенератор. Увы, его так и не получилось запустить на такой высоте – слишком мало кислорода в воздухе. Надо сказать, следующая экспедиция была более удачна благодаря источнику питания на аккумуляторах. Обратно мы спускались на горных лыжах и сноуборде. Так что, иногда спортивные увлечения очень помогают во время работы.
Много ли времени занимает обработка данных?
Обработка происходит достаточно быстро. Вместе с коллегой из нашего отдела Петром Землянухой мы разработали специальный алгоритм, который помогает убрать шумы и минимизировать неоднородности атмосферы, которые мешают наблюдениям. На эту программу мы даже получили патент, который теперь стал частью моей диссертационной работы.
Сейчас мы продолжаем исследования астроклимата, благо измерения проводятся в удалённом режиме, и карантин в этом смысле не мешает. Кроме того, обсуждаем с нашими узбекскими коллегами новый цикл измерений уже не на площадке Суффы, а на окрестных возвышенностях с высотой около 3,5 км, а также цикл измерений на другой площадке в Узбекистане, где размещена оптическая обсерватория Майданак. Планировали этим летом поехать туда в экспедицию, но придется работать в «удаленке», и всю тяжесть затаскивания оборудования на гору возложить на плечи наших узбекских партнеров из МРАО Суффа, которую возглавляет наш друг и давний партнер Г.И.Шанин. К сожалению, опытно-конструкторские и экспериментальные работы в нашей группе временно приостановлены, но разработки продолжаются в удалённом режиме. И, конечно, это уникальный шанс для обработки результатов, подготовки научных текстов и завершения работы над диссертацией. В любом случае, мы пытаемся провести это непростое время с максимальной пользой.