Всемирно известными исследователями метеоров как астрономических объектов радиолокационным методом являются украинские ученые, проводящие свои исследования более сорока лет в Харькове под руководством профессора Б. Л. Кащеева.
Б. Л. Кащеев является членом Международного астрономического союза, почетным членом Украинской астрономической ассоциации, был сопредседателем рабочей группы V-2 "Исследование метеоров" (1979-1983), возглавлял метеорную секцию Межведомственного геофизического комитета при Президиуме АН СССР (1978-1991), был научным руководителем Советской экваториальной метеорной экспедиции (1968-1970).
Метеор - явление, происходящее в средней атмосфере Земли при вхождении мелких твердых космических частиц массой не менее 10-9 г и не более примерно 10 г. Явление это заключается в испарении частиц и возникновении плазменного образования - метеорного следа, образующегося в результате столкновения испарившихся метеорных атомов с молекулами и атомами газов земной атмосферы чаще всего в диапазоне высот от 110-105 до 85-80 км. В среднем метеорные следы имеют протяженность около 15 км/с начальным радиусом примерно 1-2 м.
Метод радиолокационных наблюдений метеоров основан на регистрации метеорного радиоэха - радиоволны, отраженной от ионизированного следа метеора. Если регистрируется только факт отражения, говорят о наблюдениях численности метеоров. При регистрации амплитудно-временных характеристик АВХ (изменений амплитуд радиоэхо во времени вследствие дифракции радиоволн на следе), зная расстояние до следа, можно вычислить скорость метеорного тела (метеороида). Такой метод радиолокационных наблюдений метеоров называется импульсно-дифракцион-ным. Он применяется в Харькове. Если используется несколько разнесенных на расстояния от 5 до 50 км приемников (базисный метод определения орбит), то можно определить ориентацию наблюдаемого следа метеора - координат радианта (точки пересечения с небесной сферой траектории движения метеорного тела в атмосфере Земли). Зная скорость и координаты радианта, дату и время наблюдения метеора, можно рассчитать орбиту метеорного тела в Солнечной системе.
Радиолокационные исследования в Харькове включают разработку и техническую реализацию аппаратурных радиолокационных средств; регулярные наблюдения численности метеоров, определение скоростей, радиантов и орбит метеорных тел; получение надежных и статистически обеспеченных рядов наблюдений; разработку и реализацию оптимальных методик обработки данных; широкую автоматизацию и компьютеризацию исследований; разработку и уточнение физической теории взаимодействия метеорных тел с атмосферой; интерпретацию данных о метеорах с учетом последних достижений науки.
Целью астрономических исследований кафедры является создание количественной и качественной моделей распределения метеорного вещества в космическом пространстве вблизи орбиты Земли и распределения метеорных тел в Солнечной системе.
Применение радиолокационной техники во время второй мировой войны дало начальный толчок развитию радиолокационных исследований метеоров в послевоенное время. С 1957 г. после запуска первого искусственного спутника в связи с началом интенсивного освоения космического пространства все метеорные исследования, и радиолокационные в Харькове в частности, стали проводиться по государственным и международным программам и проектам. Первым из них был проект Международного геофизического года МГГ (1957 г.). В результате по всей планете была создана сеть пунктов, где проводились исследования метеоров различными методами: визуальным, фотографическим, радиолокационным. Позже были подключены прямая регистрация метеорных тел на космических аппаратах, телевизионные наблюдения и другие методы.
Исследования метеоров по этим программам планировались и координировались рабочими группами, в работе которых неизменно принимал участие руководитель харьковских исследований профессор Б. Л. Кащеев. В 1958 г. он вошел вместе с В. Н. Лебединцом в состав комиссии 22 "Метеоры и метеориты" Международного астрономического союза (MAC), с декабря 1979 г. в течение шести лет был сопредседателем рабочей группы V-2 "Метеорные исследования" Международной ассоциации геомагнетизма и аэрономии (МАГА), в 1978-1991 гг. заместителем председателя метеорной секции Междуведомственного геофизического комитета при Президиуме АН СССР. Это свидетельство международного признания высокого научного уровня метеорных исследований в Харькове и их весомого вклада в метеорную науку.
С 1957 г. начали проводиться регулярные измерения численности метеоров в Харькове, а с 1959 г. проводились определения индивидуальных орбит метеорных тел.
Интерпретация наблюдаемых радиоданных с первых дней потребовала проведения тщательного анализа возникновения различных погрешностей аппаратуры, используемой радиометодом, развития физики метеоров, оценки различных факторов избирательности. Эти вопросы освещены в монографии Б. Л. Кащеева, В. Н. Лебединца (до 1961 г. работал в Харькове), 1961. Ниже приведена рецензия профессора А. С. Астаповича на эту монографию. В 1967 году выходит книга Б. Л. Кащеева, В. Н. Лебединца, М. Ф. Лагутина "Метеорные явления в атмосфере Земли", которая явилась фактически продолжением монографии 1961 г. На этой книге выросло не одно поколение ученых-исследователей радиометеоров. Монография 1967 г. не только подводит итог успешному исследованию метеоров в Харькове в 1957-1967 гг., она в ряде стран стала справочным руководством по проведению радиолокационных измерений. Впоследствии исследованию влияния начального радиуса и амбиполярной диффузии на качество измерений уделялось также много внимания в работах харьковской школы исследований метеоров.
В 1968-1970 гг. в течение двух лет коллектив лаборатории совместно с Институтом астрофизики Таджикистана с помощью многоканальной автоматической радиолокационной системы (МРЛС) "Тропик" (разработанной и изготовленной в Харькове) проводил наблюдения метеоров в экваториальной зоне. Экспедиция решала две задачи: исследование циркуляции атмосферы по наблюдению дрейфа метеорных следов и притока метеорного вещества в северную и южную полусферы по данным МРЛС, работающей на экваторе. Обе задачи фактически решались впервые в мировой науке. Комплексные наблюдения метеоров в тяжелых экваториальных условиях проводились под руководством академика АН Тадж. ССР. П. Б. Бабаджанова (Душанбе) и профессора Б. Л. Кащеева (Харьков). Были получены фундаментальные материалы, астрономического и геофизического направлений. Во время проведения экспедиции по измерениям в Могадишо было определено базисным методом более 6000 орбит метеорных тел. Опубликовано два каталога. Одновременно проводились измерения дрейфа метеорных следов в Харькове и Душанбе на радиолокаторах с одинаковыми параметрами по одинаковой методике.
С 1972 г. в Харькове начала работать многофункциональная автоматизированная радиолокационная система МАРС, разработанная и изготовленная в Харькове, позволяющая исследовать метеор: как астрономический объект, как физическое явление, как своеобразный датчик для исследования атмосферы, как средство связи и т. п. Тщательно проводимое регулярное определение параметров аппаратуры, учет факторов замечаемости, сравнение с публикуемыми в печати данными позволило сделать вывод, что МАРС - самая чувствительная радиолокационная система в мире, позволившая наблюдать метеоры до +14 т. Каталог 5317 орбит индивидуальных метеоров до +12т (зарегистрированных в течение 1-2 суток непрерывных измерений в каждом месяце 1975 г.) Б. Л. Кащеева и А. А. Ткачука считается одним из наиболее точных и статистически однородных каталогов метеорных орбит.
В 1972-1978 гг. в Харькове на системе МАРС были проведены измерения численности метеоров, скорости метеоров, индивидуальных радиантов. На статистическом анализаторе численности метеорных отражений (САЧМО) на втором уровне чувствительности за указанные годы было зарегистрировано более 20 млн метеоров. Получено более 250 тысяч орбит метеорных тел, выявлено 2405 гиперболических орбит. Детально исследовался вопрос о существовании метеорных тел с гиперболическими орбитами. Это могут быть межзвездные частицы, тела, рожденные в Солнечной системе, или ошибки наблюдений. В харьковских данных количество таких орбит составляет 1-2 % от общего числа и не может быть объяснено только ошибками измерений.
На основе длительных рядов экспериментальных наблюдений метеоров с января 1974 г. по декабрь 1978 г. в Харькове создана компьютерная база данных параметров радиометеорных регистраций, не имеющая аналогов в мире по количеству собранного материала (приблизительно 200 тыс. пакетов параметров индивидуальных метеоров).
Большие достижения на кафедре основ радиотехники связаны с применением современных математических моделей и новой методологии исследований, а также широкого использования ЭВМ. Поскольку при наблюдениях метеоров регистрируются не сами метеорные тела, а явления, которые они создают в атмосфере Земли, т. е. световое излучение при оптических наблюдениях и ионизированный след при радиолокационных, то для перехода от наблюдаемых характеристик метеоров к истинным характеристикам метеорных тел следует учесть избирательность метода наблюдения по отношению к различным параметрам, в первую очередь к скорости метеорных тел. При этом необходимо пользоваться выбранной теоретической моделью метеорных явлений. В харьковских радиолокационных исследованиях была выбрана параметрическая модель, в основе которой лежит имитационное моделирование метеорных явлений. Сформулированы прямая и обратная задачи радиолокации метеоров. Обратная задача косвенных измерений рассмотрена как основа ряда наук, в том числе и метеорной астрономии, метеорный комплекс причислен к сложным стохастическим объектам. Решение обратной задачи в этом случае требует привлечения методов, базирующихся на математическом аппарате теории вероятностей и математической статистики, ориентированных на использование ЭВМ.
Для оценки структуры и параметров модели вероятностного пространства изучаемого объекта по результатам измерительных экспериментов была создана под руководством Ю. И. Волощука автоматизированная система сбора и обработки радиометеорной информации АССОРМИ, представляющая собой комплекс МРЛС-ЭВМ. С помощью апостериорно-модельного подхода для АССОРМИ был разработан алгоритм переработки информации, который позволяет получать статистическим методом усредненные распределения гелиоцентрических скоростей и элементов орбит метеорных тел с массой больше некоторой предельной. Компенсация избирательности производится методом нелинейных преобразований (МНП) в дополнение к весовому. В монографиях 1981 и 1989 гг. описана параметрическая модель, позволяющая прогнозировать оценки временных рядов метеорного потока. Разработана достаточно простая процедура интерпретации численности метеоров, регистрируемая МРЛС в одном пункте. Получены распределения скоростей и плотности радиантов спорадических метеоров по небесной сфере, оценки закона распределения метеорных тел по массе. Для получения оценок плотности потока метеорных тел с массой выше некоторой граничной применено имитационное моделирование. Была решена задача оперативного оценивания безопасности для КА и одна из фундаментальных задач метеорной астрономии, которая ряд лет ставилась перед исследователями метеоров во всем мире: определение притока метеорного вещества на Землю. Методом имитационного моделирования по результатам многолетних измерений численности радиометеоров на статистическом анализаторе, являющемся подсистемой МАРС, получены распределения плотности радиантов по небесной сфере и оценки притока метеороидов с массой больше 10-5 г.
Для выяснения общих закономерностей распределения метеорного вещества в пространстве в Харькове реализован новый в метеорной астрономии качественный подход, базирующийся на фундаментальных физических законах. За основу были взяты только самые общие представления о метеорной материи. Общепринятую количественную модель метеорного комплекса для мелких метеороидов, включающую в себя "сферическую" и "плоскую" составляющие, с новой точки зрения можно рассматривать как некое упрощение-предположение. Сделан вывод о системной природе метеорного комплекса. Получено, что распределение Ципфа-Парето обуславливает вероятностную структуру пятимерного пространства элементов орбит метеорных тел. Закономерности в распределении метеорных тел проверялись путем применения кластер-анализа к экспериментальным данным, полученным разными методами. Гиперболические закономерности распределений метеороидов в пространстве особенно четко проявились при анализе данных прямых регистраций на космических аппаратах. В 1995 г. разработан алгоритм выявления скрытых "периодичностей" в распределениях элементов орбит метеорных тел, полученных косвенными методами. Удалось показать, что в распределениях орбит по величине большой полуоси, полученных разными методами (фотографическим, телевизионным, радиолокационным) и разными исследователями, с высокой достоверностью наблюдаются регулярные периодические составляющие, частоты и периоды которых хорошо согласуются с теоретическим прогнозом Ю. К. Гулака о наличии закономерностей в распределении метеорного вещества в виде кольцевых структур.
Анализ многомерных распределений орбитальных характеристик метеорных тел из харьковского банка данных, включающего результаты радиолокационных и фотографических наблюдений, показал, что существуют семейства астероидных и кометных метеоров, образующих более или менее компактные группы, проявляющие себя в статистике элементов орбит и связанные с родительскими телами. Есть четко выраженные структурные особенности, вызванные влиянием планет, гравитационных и негравитационных эффектов. Обнаружена совокупность стационарных (устойчивых) орбит, размеры которых образуют дискретные спектры. Эта часть роев и ассоциаций, выявленная в метеорном комплексе, является не результатом дробления единого для роя родительского тела, а наоборот, сформировалась из метеорных тел, не связанных родством, в процессе эволюции их орбит под воздействием неизвестных эффектов в Солнечной системе (родительское тело в этом случае отсутствует). Системная природа метеорного вещества предполагает новую модель эволюции твердой составляющей межпланетного пространства: родительское тело - его распад с образованием роя - рассеивание роя (образование спорадического фона) - перегруппировка орбит и концентрация частиц на стационарных орбитах - образование новых роев и ассоциаций.
Разработана методика и пакет прикладных программ для выделения потоков метеороидов из выборок большого объема. Методика базируется на алгоритме кластер-анализа ФОРЕЛЬ, использует в качестве меры расстояния между орбитами в пространстве элементов орбит D-критерий Саутворта-Хокинса и самые общие подходы анализа данных - случайный перебор центров кластеров (средних орбит гипотетических потоков), расчет на каждом этапе поиска нескольких вариантов таксономии, многошаговую процедуру отсева случайных группировок орбит. Из выборки 160000 орбит метеороидов, определенных в Харькове на системе МАРС, выделено более 5000 метеорных потоков.
Проведен статистический анализ выборок спорадических и потоковых метеороидов, позволивший выявить основные отличия в многомерных распределениях элементов орбит спорадических и потоковых метеорных тел. Показано, что хотя численность потоковых метеоров в 1,5 раза превосходит численность спорадических, плотность потока метеороидов, принадлежащих потокам, в три раза ниже плотности потока спорадических метеороидов.
На основе анализа элементов и квазипостоянных параметров орбит получены оценки вклада астероидов групп Аполлона, Амура, Атона (ААА-астероиды), пояса астероидов, коротко- и долгопериодических комет в комплекс потоковых и спорадических метеорных тел. Для этого использовались как формальные критерии, так и методы многомерной классификации при наличии обучающих выборок (дискриминантный анализ) и классификации в случае, когда распределения классов известны, базирующиеся на критерии отношения правдоподобия. Показано, что среди потоковых метеороидов с массой более 10-5 г, пересекающих сферу радиусом 1 а. е. вокруг Солнца, 72 % являются продуктом дезинтеграции ААА-астероидов, 3 % произошли от астероидов пояса, 19 % являются продуктом дезинтеграции ядер короткопериодических и 6 % - долгопериодических комет. Таким образом, среди потоковых метеороидов 75 % имеют астероидное происхождение (72 % ААА-астероиды), среди спорадических 37 % астероидного происхождения (32 % ААА-астероиды).
Исследование метеоров имеет многовековую историю. Это убедительно показано в энциклопедическом труде - "Метеорные явления в атмосфере Земли" (1958). Однако только широчайшие возможности радиометода (наиболее полно реализованные в Харькове) в сочетании с развивающимися фотографическими и космическими методами, развитием физики, математики, а также развитием ЭВМ, позволили перейти в последние годы на качественно новый уровень познания метеорных явлений и метеорного вещества в Солнечной системе. Стало возможным решение прикладных задач: в радиотехнике, в системах единого времени и частоты - эффективного использования радиометеорного канала связи, в геофизике - оперативного определения скорости и направления ветра в диапазоне высот 80-110 км, в космических исследованиях - надежных оценок безопасности полетов. Результаты харьковских исследований опубликованы в девяти монографиях и двух каталогах, в более чем трехстах статьях, докладывались на международных и республиканских конференциях, симпозиумах, отраслевых научных советах.
Развитие метеорных исследований в Харькове во многом обязано многолетней работе на кафедре основ радиотехники Б. Л. Кащеева, В. Н. Лебединца, Ю. И. Волощука, Ю. А. Коваля, защитивших докторские диссертации в 1961, 1967, 1984 и 1994 гг. соответственно. В 1994 г. за монографию Ю. И. Волощука, Б. Л. Кащеева, В. Г. Кручиненко "Метеоры и метеорное вещество" авторы получили премию НАН Украины им. Н. П. Барабашова. Последние результаты и перспективы дальнейших метеорных исследований в Харькове приведены в монографии "Метеоры сегодня" (1996 г.), в ряде статей Б. Л. Кащеева и Ю. И. Волощука, опубликованных в журнале "Астрономический вестник" (1997-1999 гг.).
Ряд фундаментальных работ был выполнен коллективом по исследованию параметров радиометеорного канала связи. Работы велись в течение нескольких лет на трассе Харьков-Ульяновск (длина трассы 900 км). Результаты этих исследований были опубликованы в Москве в 1963 г. в журналах "Электросвязь". Полученные экспериментальные данные позволяли сделать заключения о возможном подслушивании информации, передаваемой по метеорному каналу связи, о пропускной способности каналов такой связи. Полученные экспериментальные данные существенно отличались от данных, полученных за рубежом, и используются рядом исследователей передачи информации по радиометеорному каналу.
Траектория движения Земли вокруг Солнца пронизывает облако астероидов и комет, орбиты которых проходят очень близко к земной. Совокупность этих объектов (NEOs) представляет опасность для жизни на Земле. Первым шагом для оценки и предотвращения опасности является создание в ближайшие годы банка данных для большинства NEOs, размеры которых достаточно велики (приблизительно больше 1 км), чтобы вызвать глобальную катастрофу. Из них известно только 5-6 %. Специальные дорогостоящие инструменты и программы, ориентированные на решение именно этой задачи (Spacewatch, LONEOS, GEODSS), могут решить эту задачу приблизительно за 10 лет.
Отметим следующее. Во-первых, все перечисленные программы ориентированы на поиск только одного важного, но не единственного и не самого опасного, как оказалось, подмножества NEOs, а именно: астероидов групп Аполлона, Атона и Амура. Объяснить это можно тем, что невозможно создать инструмент и программу, одинаково чувствительные к объектам, орбиты которых существенно отличаются. Во-вторых, все оптические методы, кроме прочего, обладают избирательностью к характеристикам объектов, в частности к их альбедо. Следовательно, неизвестными останутся в основном объекты с низким альбедо. Поскольку альбедо астероида определяется и его происхождением, это приведет к избирательности и к элементам орбит NEOs. Наконец, последнее. Почему опасными приняты объекты размером больше 1 км? Очевидно, разработчики проекта The Spaceguard Survey исходили из того, что возможности оптических наземных наблюдений объектов меньших размеров не позволяют надеяться, что в обозримом будущем можно гарантировать достаточно высокое заполнение банка NEOs такими объектами. Вывод: для получения оценок реальной опасности необходимо использовать и другие методы наблюдений NEOs, к которым относится косвенный метод оценки элементов орбит NEOs по известным орбитам метеорных потоков, родительскими телами которых они являются.
Идею метода проще всего объяснить на классическом примере из метеорной астрономии. Орбита потока Геминиды была известна еще в XIX веке, однако родительское тело его открыто только в конце XX. Таким образом, орбита NEO Phaethon была известна человеку за сто лет до его обнаружения. Другой пример: двойной астероид Тоутатис был открыт в 1989 году, но орбита потока, связанного с ним, была получена в Харькове в конце 1970-х годов. К настоящему времени известны сотни потоков метеороидов, и только для нескольких десятков из них найдены родительские тела. Если предположить, а для этого есть все основания, что и у остальных, или по крайней мере у большинства метеорных роев, проявлениями которых в атмосфере Земли являются метеорные потоки, есть источники, поддерживающие популяцию метеороидов на уровне, позволяющем выявить их на фоне спорадических метеороидов, то отсюда следует, что в каталогах орбит метеорных потоков содержится ценная информация о NEOs, которые пока не обнаружены другими средствами наблюдений. Одним словом, метеорный рой, а в некоторых случаях и метеорный поток, можно рассматривать как пылевой след в межпланетном пространстве более крупного родительского тела. Поскольку метеорные потоки наблюдаются пока только с Земли, их орбиты всегда пересекаются с орбитой Земли, а орбита родительского тела и метеороидного роя, связанного с потоком, если и не пересекается с орбитой Земли, то расположена вблизи нее и в процессе эволюции может стать таковой.