Доклады Российской академии наук. Физика, технические науки, 2022, T. 502, № 1, стр. 5-9

Субтерагерцовый (субТГц) диапазон частот – 0.1–1 ТГц до недавнего времени был технологически очень слабо освоен. В последние годы он является сферой активного развития технологий создания приемников [1], передатчиков [2] и антенн [3–5] самого широкого назначения. Среди ключевых приложений этих технологий наиболее амбициозные по набору характеристик требования предъявляют радиоастрономия, радиолокация и космические коммуникации. Одни и те же антенны порой могут использоваться для всех трех указанных приложений, например, РТ-70 в Евпатории, 64 м антенны в Калязине и Медвежьих Озерах [6] и др. Ключевым ограничением диапазона является атмосферное поглощение. Оно весьма существенно, имеет драматические отличия в различных местах и определяется наличием линий поглощения кислорода и воды, и окон прозрачности между ними. Существует обширный перечень теоретических исследований микроволнового астроклимата и моделей [7], построенных на метео и спутниковых данных по влагосодержанию атмосферы. Наиболее эффективным на сегодня инструментом изучения атмосферы стали измерения прозрачности атмосферы на более коротких, чем субТГц-волнах – оптика и ИК-диапазонах [8–10]. Хороший прогноз по влагосодержанию атмосферы могут дать измерения и на более длинных волнах (радиодиапазон от единиц до десятков ГГц) [11, 12], чем субТГц-волны. Все эти данные, довольно надежно определяющие одну из основных поглощающих субТГц-волны компонент – воду, дают основания строить предположения о перспективах тех или иных мест возможного расположения субТГц-инструментов. Однако картина микроволнового астроклимата отличается от давно исследуемого оптического астроклимата и радиочастотной диагностики и, безусловно, требует дополнения натурным прямым измерением на субТГц-волнах. Поглощение электромагнитных волн субТГц диапазона в атмосфере определяется тремя основными компонентами (вода, кислород и облака) и описывается формулой [7]:

где τ_tot– наблюдаемая оптическая толщина (Неп), h – высота над уровнем моря (км), h₀– характеристическая высота кислорода, 5.3 (км), W – количество осаждаемой воды, PWV (мм), Q – водозапас облаков (кг/м³), α – кислородная часть поглощения на уровне моря (Неп), β – удельное поглощение в парах воды (Неп/мм), γ – удельное поглощение в облачности (Неп ⋅ м³/кг).

При этом оптические средства измерения или спутниковые данные, включая GNSS, “не видят” весьма широкие, в силу довольно высокой концентрации, кислородные линии поглощения в субТГц-диапазоне. Поэтому при всей значимости влажности атмосферы оценка перспектив площадки исключительно по влагосодержанию не вполне корректна. Требуются прямые измерения непосредственно на субТГц-волнах, на которых и будет работать впоследствии инструмент, установленный в месте проведения измерений.

В  мире  работают  десятки  обсерваторий субТГц-диапазона [5], в России на сегодня нет ни одного подобного инструмента. Однако в настоящий момент на базе новейших достижений в разработке   антенн, приемников и генераторов субТГц-волн тоже готовится ряд программ развития инструментов в России и ближнем зарубежье [13]. Решения ожидаются в ближайшее время. Но для принятия осознанного и обоснованного выбора места расположения такого дорогостоящего комплекса решение должно базироваться только на прямом инструментальном измерении атмосферной прозрачности непосредственно в месте планируемого размещения антенны. Наиболее адекватным прибором для измерения субТГц-поглощения в полевых условиях является двух-частотный радиометр МИАП – 2 [14], созданный в ИПФ РАН и ЗАО ГИКОМ. С его помощью был выполнен обширный цикл измерений микроволнового астроклимата в Северной Евразии от Шпицбергена до Узбекистана [15].

Один из экземпляров этого прибора, поставленный в свое время НГТУ, был использован для измерений, выполненных за предшествующие годы в Карачаево-Черкесии, Кабардино-Балкарии и Ставропольском крае [16]. К сожалению, в итоге мест, близких по уровню поглощения к лучшим локациям мировых обсерваторий субТГц-диапазона: Атакама, Антарктический полюс, пик Мауна-Кеа, Тибет или хотя бы европейская Пико-Велетта, в западной части северного Кавказа не было выявлено. Даже по российским меркам изученные в экспериментах площадки на западе северного Кавказа уступают по качеству микроволнового астроклимата склонам гор в Якутии (пик Муус-Хая) или Саянах в Бурятии (станция ИСЗФ СО РАН “Монды”). Второй экземпляр МИАП-2, поставленный ЗАО ГИКОМ астрокосмическому центру ФИАН, примерно в то же время обеспечивал продолжительный цикл измерений на площадках в окрестностях плато Суффа (Узбекистан), где строится субТГц-обсерватория “Суффа” [13]. В июне 2021 г. прибор был возвращен в Россию для обеспечения представляемых здесь исследований. Дело в том, что место экспедиции выбрано в том числе с учетом скорректированных планов проекта “Суффа”. В рамках проекта будет создан субТГц-интерферометр, второй элемент которого будет расположен на территории России, и северный Кавказ здесь представляется оптимальным местом с точки зрения протяженности базы создаваемого интерферометра: свыше 2000 км от узбекского элемента интерферометра на Суффе. Неплохую связку антенна на Кавказе составит и с европейскими элементами ТГС, обеспечив дополнительное эффективное покрытие U–V плоскости интерферометра ТГС.

Представляемые здесь экспедиции начались с анализа микроволнового астроклимата по косвенным показателям: уровню осадков и влажности атмосферы, показывавшим довольно значительное отличие восточной и западной частей северного Кавказа. Кроме того, по данным реанализа ERA-5 и анализу данных, полученных со спутников GNSS [11], были построены пространственные распределения осажденного водяного пара (PWV) по сезонам за период с 2011 по 2020 гг. В связи с тем, что реанализ ERA-5 ограничен по пространственному разрешению 30 км и не учитывает условия пересеченного рельефа, а именно гористая местность и представляет наибольший интерес для исследований астроклимата, была выполнена привязка данных PWV к высотам вершин оцениваемых перспективных гор согласно формуле:

где δ_z – перепад высот для рассматриваемого места, C_PWV – коэффициент пропорциональности.

Пятно разрешения покрывает и сухие и бескислородные горные вершины, и влажные, насыщенные кислородом ущелья. Более точные теоретические оценки можно было бы сделать, не просто учитывая экспоненту по формуле (2), а дополнив ее показателями шероховатости поверхности внутри пятна разрешения. Параметр, определяющий шероховатость, известен как среднеквадратическое отклонение – СКО, или по-английски RMS, но этих данных для гор не существует, как не существует, строго говоря, точных данных о площади поверхности республики Дагестан (с учетом его изрезанности), в отличие от площади территории в плане на карте. В связи с чем, учитывая куда большую изрезанность поверхности Дагестана по сравнению с Тибетом, невозможно ограничиться набором доступных спутниковых и метеоданных для достоверной оценки реального микроволнового астроклимата, как это сделано для Тибета [17 ] .

И все же приведенные оценки по осажденной воде, даже без учета кислорода и облачности, позволили изначально просто из изучения карты осадков Кавказа предварительно сформулировать гипотезу, состоящую в том, что восток объективно лучше для субТГц запада Кавказа, требовавшую экспериментальной проверки. Для экспериментальной проверки гипотезы был выбран ряд перспективных по вышеизложенным соображениям площадок восточнее ранее обследованного региона [16] западного Кавказа: Чечня, Северная Осетия, Ингушетия и Дагестан.

В Чечне было организовано две поездки. Первая пробная поездка по выбору возможного места расположения обсерватории и инструментальных измерений астроклимата состоялась в юго-западную часть республики (ближе к границе с Ингушетией, Осетией и Грузией) в направлении горы Тебулосмта, 4493 м. Поскольку это приграничные с Грузией регионы и доступ туда ограничен, инструментальные обследования отложены до 2022 г. Но неподалеку в Галанчожском районе выявлен ряд пригодных для измерений перспективных площадок с сухим климатом и дорогами удовлетворительного качества. Вторая поездка в направлении юго-восток в окрестности пограничного с Дагестаном озера Казен-ой также продемонстрировала наличие перспективных площадок с высотой около 3000 м над уровнем моря с развитой инфраструктурой.

Следующий экспедиционный цикл, состоявшийся в первой декаде ноября 2021 г., охватывал две площадки в Дагестане: в Гунибском районе (гора Маяк, 2700 м) и на горе Шалбуздаг (4142 м). Завершался цикл измерениями в Северной Осетии (Столовая гора, ~3000 м).

Предварительные результаты измерений на всех трех площадках показали обнадеживающие вплоть до окна прозрачности 1.3 мм результаты по уровню атмосферного поглощения, учитывая неоптимальность сезона. Микроволновый астроклимат испытывает хорошо изученные сезонные вариации, и кратковременные измерения несложно сопоставить с долговременным внесением поправки на текущий сезон. Вместе с тем все измерения, включая предшествовавшие экспедиции и выполненные сразу по ее окончании в САО, были проведены в довольно короткий период (всего неделя – с 4 по 10 ноября), когда сезонной вариабельностью астроклимата можно пренебречь. Окно прозрачности 1.3 мм оценивалось экстраполяцией по прямым измеренным данным в окнах прозрачности 3 и 2 мм. Разумеется, на перспективу предполагается доработать измерительный комплекс двумя дополнительными каналами, работающими в окнах 1.3 и 0.8 мм – по сути основными окнами прозрачности атмосферы в субТГц-диапазоне. Именно в окне прозрачности 1.3 мм ныне работает ТГС и предполагается развитие мировой интерферометрической сети в окне прозрачности 0.8 мм. Дальнейшее продвижение субТГц-наземных инструментов вверх по частоте представляется перспективным лишь для уникальных по астроклимату мест наподобие пустыни Атакама, в России таких нет. Два наиболее длинноволновых субТГц-окна прозрачности (2 и 3 мм), строго говоря, не требуют поиска высокогорной площадки. На волне 3 мм можно довольно эффективно работать и на уровне моря, для окна 2 мм вполне достаточно подъема на высоту 1–2 км. Полученные в экспедиции результаты в настоящий момент обрабатываются и будут представлены в более подробном анализе.

Вместе с тем, в рамках прошедшего цикла исследований пока не удалось посетить ряд еще более перспективных площадок на востоке Кавказа, что запланировано на следующий сезон. В частности, если влажность западного Кавказа определяется близостью (~100 км) Черного моря, то крайний восток Дагестана уже находится в зоне климатического влияния Каспия. И Шалбуздаг, лучшая из трех обследованных площадок, находится ближе 100 км от Каспия, что не может не приносить влагу. По данным реанализа ERA 5 и использования обработки фазовых измерений двухчастотных сигналов с GNSS-приемников, получена оценка весьма малой тропосферной задержки и влагосодержания несколько дальше от Каспия. Из чего следует предложение сместиться чуть западнее в направлении Чечни, чтобы обеспечить не менее 200 км от Каспия. Здесь предлагается изучить два района горного Дагестана – Рутульский и Агульский. В Агульском это сравнительно легко доступные горы Хорай (3521 м) и Карах (2876 м). В Рутульском районе следует обратить внимание на окружающие Аракуль и Хачаралу холмы и горы, в частности, Синдаку (2847 м) и Хунзундалилбак (3676 м). Пока нельзя снимать с рассмотрения приграничные с Азербайджаном самые высокие горы Дагестана Ерыдаг (3925 м) и Базардюзю (4466 м). Но здесь могут помешать, даже для проведения тестовых измерений, особенности приграничного режима, да и Каспий тут недалек.

Основной результат прошедшей в 2021 г. экспедиции: перспективность площадок восточного Кавказа доказана, но требует более детального и длительного инструментального исследования для принятия решения о размещении высокоэффективного инструмента, работающего в субТГц-диапазоне частот.