Эксперимент «Плазма-Ф»

Хотя еще первобытные люди понимали, что Солнце — источник всего сущего на Земле, но и до сих пор многие невидимые нити, которые связывают нашу звезду и Землю, не только до конца не поняты, но даже и не исследованы полностью. Поэтому изучение разнообразия солнечно-земных связей имеет большое практическое и научное значение.

Прагматический интерес вызывает, прежде всего, та сторона их взаимодействия, которая объединяется общим названием «космическая погода». Она заключается в постоянном влиянии приходящих от Солнца возмущений на околоземное пространство: генерацию магнитных и ионосферных бурь, в свою очередь, вызывающих сбои в современных технических системах, нарушения радиосвязи (особенно в полярных районах), повреждения автоматики линий электропередачи и трубопроводов и даже здоровье человека.

Научный же интерес связан с возможностью изучения в космосе бесстолкновительной горячей плазмы, которую очень сложно воссоздать в лабораторных условиях, в частности, чтобы оценить особенности распространения в ней радиоволн, развитие разнообразных плазменных неустойчивостей и т.п.

Для продолжения и развития этих исследований на запущенном 18 июля 2011 года российском астрофизическом спутнике «Спектр-Р» был поставлен эксперимент «Плазма-Ф».

Основная цель спутника «Спектр-Р» — детальное изучение радиоизлучения дальних космических объектов — черных дыр, сверхгалактик, облаков темной материи и т.д. — с помощью интерферометра с очень большой базой. Однако параллельно с основным экспериментом, на этом КА нашлось место и для приборного комплекса «Плазма-Ф», в задачу которого входят непосредственные измерения в межпланетном пространстве двух важных компонент солнечного излучения — потоков плазмы солнечного ветра и потоков энергичных частиц от Солнца. Орбита высокоапогейного спутника «Спектр-Р» предоставляет прекрасные возможности для этого эксперимента. Как известно, межпланетная среда, взаимодействуя с магнитным полем Земли, создает огромную полость — магнитосферу Земли, ограниченную в направлении к Земле магнитопаузой (расстояние до нее в подсолнечном секторе составляет около 60 тыс. км), в направлении к Солнцу — околоземной ударной волной (расстояние до которой от Земли составляет около 100 тыс. км). Внутрь магнитосферы межпланетная среда почти не проникает, поэтому для ее изучения надо выйти за околоземную ударную волну.

Благодаря своему высокому апогею (360 тыс. км), долгому периоду обращения (8,5 суток) и сравнительно невысокому перигею (5-10 тыс. км) спутник «Спектр-Р» около 6-8 суток пребывает в невозмущенной межпланетной среде, а затем быстро проходит сквозь почти все области магнитосферы, регистрируя их состояние.

Одной из важных составляющих космической межпланетной и магнитосферной плазмы является так называемая «энергичная» компонента — ионы (в основном протоны) и электроны с энергиями существенно выше средней («тепловой») энергии основной массы плазмы. К числу таких частиц относятся, например, солнечные космические лучи или частицы радиационных поясов Земли. Кроме собственно изучения свойств околоземного пространства, исследования процессов ускорения и образования энергичной плазмы исключительно важны для астрофизики. Схожие процессы (только с более высокими энергиями) ответственны за ускорение плазмы в астрофизических объектах, о свойствах которых мы можем судить только по свойствам достигающего Земли вторичного излучения.

В советских и российских космических проектах накоплен большой опыт подобных наблюдений. Спутник «Спектр-Р» стал удобной платформой для реализации специализированного эксперимента такого рода для изучения тонкой структуры ускорительных процессов.

Комплекс научной аппаратуры «Плазма-Ф» включает в себя монитор энергичных частиц МЭП, энергоспектрометр плазмы БМСВ, магнитометр ММФФ, систему сбора научной информации ССНИ-2. Приборы были включены после 05.08.2011 г. и с тех пор (за исключением прибора ММФФ) непрерывно работают на орбите, выдавая качественно новую научную информацию с рекордно высоким временным разрешением. Прибор БМСВ позволяет определять основные параметры плазмы солнечного ветра и магнитослоя Земли с временным разрешением 1.5-3 с по переносной скорости, ионной температуре и концентрации и разрешением в 0.03 с по величине и направлению вектора потока ионов солнечного ветра. Прибор МЭП осуществляет регистрацию энергетических спектров потоков энергичных ионов (в диапазоне 0.02-1.0 МэВ) и электронов (в диапазоне 20-200 КэВ) с временным разрешением не хуже 1 сек. и с высоким энергетическим разрешением.

Уникальная информация о тонкой структуре солнечного ветра и потоков энергичных частиц продолжает поступать и обрабатываться. В качестве примера на рис.1 и 2 показаны быстрые и большие квазигармонические вариации величины и направления потока ионов на фронте межпланетной ударной волны, измеренные 24 октября 2011 г. с разрешением в 30 мс. Видно, что большой (примерно в 4 раза) скачок плотности потока солнечного ветра происходит за столь малое время, как 0,3 с, а колебания плотности и полярного угла потока имеют период около 0,5 с. Измерения свидетельствуют о возбуждении осцилляторной (слоистой) структуры плазмы, стоячей по отношению к фронту ударной волны, но бегущей от Солнца со скоростью около 500 км/с. Подобные данные о межпланетной плазме до сих пор еще никем не были получены.

 Рис.1. Зависимость плотности потока ионов солнечного ветра от времени при пересечении распространяющейся межпланетной ударной волны на интервале в 10 сек. Мировое время UT дано в часах, минутах и секундах. Значение потока ионов выражено в обычных единицах – число частиц на квадратный см за одну секунду, умноженное на 10 в 9-й степени.

Рис.2. Вариации угла отклонения потока солнечного ветра относительно направления Солнце-Земля на межпланетной ударной волне - верхняя линия со шкалой слева в градусах - в сравнении с вариациями величины потока - нижняя линия со шкалой справа в относительных единицах. Время на интервале длительностью в 4 с, частично совпадающем с рис.1, указано в часах, минутах, секундах относительно некоторого условного начала отсчета. Точками на линиях отмечены отдельные измерения, проводившиеся каждые 30 мсек.

Орбита спутника «Спектр-Р» в августе 2011 г.

На рисунке представлен пример типичных результатов регистрации с помощью прибора МЭП радиационной обстановки вокруг спутника «Спектр–Р» при пересечении границ магнитосферы Земли – околоземной ударной волны и магнитопаузы. На этих границах дважды на каждом витке орбиты спутника имеют место весьма интенсивные вариации потоков электронов (в диапазоне 30–400 кэВ) – панель А, и ионов (в диапазоне 30-700) – панель Б.

На рисунке представлен пример результатов регистрации довольно сильного межпланетного возмущения от солнечной вспышки 22.10.2011 г. – потока ионов солнечного ветра по данным прибора БМСВ и потока энергичных электронов (50–300 кэВ) по данным прибора МЭП. Видно, что основное возмущение потока ионов, имеющее весьма резкие фронты, приходит к спутнику 25.10.2011, а поток энергичных электронов начинает свое возрастание за двое суток до возмущения плазмы. При этом поток энергичных частиц, в основном, меняется довольно плавно, но возрастает более чем на порядок по сравнению с фоном, тогда как поток ионов возрастает только в два раза.

На панели "А" приведен пример такого мониторинга – запись изменений плотности солнечного ветра (красная линия) во время довольно редкого события – очень большого возрастания плотности 14 августа 2011 г. На той же панели показаны синей линией значения того же параметра по данным американского КА WIND. Видно, что соответствие данных двух КА очень хорошее.



Достигнутое в приборе БМСВ рекордное временное разрешение параметров плазмы (0.03 с) позволяет наблюдать ранее недоступные явления. На панели "Б" показан (см. красные линии и точки) пример очень быстрых вариации плотности солнечного ветра в событии 25.10.2011, имеющих характерные времена изменения в субсекундном диапазоне, что важно для понимания природы солнечного ветра и динамики его взаимодействия с магнитосферой Земли. На этой же панели приведены (синяя линия) результаты одновременных измерений с разрешением 3 с на американском КА WIND – самые быстрые из данных, имеющихся помимо наших. Видно, что эти измерения, в 100 раз более медленные, чем наши, не дают реальных сведений об изменчивости параметров плазмы.

Высокие временное и энергетическое разрешения прибора БМСВ позволили выявить быстрые вариации относительного содержания ионов гелия (альфа- частиц) в солнечном ветре, что важно для понимания процессов в солнечной короне, являющейся источником возмущений приходящих от Солнца к Земле.



Из энерго–спектрограммы солнечного ветра (Рис. А) видно, что прибор позволяет надежно и четко отделить ионы гелия (сине–голубая полоска) от протонов (красно–желто–зеленая полоска). Полученный временной ход содержания гелия (см. Рис. Б) показывает, что в отличие от общепринятой точки зрения это содержание может испытывать быстрые и большие вариации в секундном диапазоне (например, спад с 6% до 4% всего за 3 с), что свидетельствует о мелкомасштабной сильной неоднородной слоистости солнечной короны.

Данные прибора БМСВ с очень высоким временным разрешением позволяют построить частотный спектр вариаций потока ионов солнечного ветра в широком диапазоне частот 4*10-2–15 Гц (см.панель "А"). Это дает возможность впервые получить экспериментальное подтверждение по параметрам плазмы гипотезы о мультимасштабном струйном характере течения солнечного ветра. Как видно из рисунка, мы наблюдаем одновременное существование в солнечном ветре как крупных струй с частотой вариаций 0.1–1 Гц, так и более мелких струек с частотой в пределах 1–15 Гц.

 Такая «струйность» отражает, очевидно, сложный мультифрактальный характер источников солнечного ветра в короне Солнца, рассмотренный теоретически и показанный на схеме панели "Б".

Учитывая весьма положительный опыт работы приборов БМСВ и МЭП в эксперименте "Плазма–Ф" на КА "Спектр–Р" (с апогеем 360 тыс.км) представляется целесообразным установить подобный же эксперимент на КА "Спектр-РГ", направляемом в заднюю точку либрации L2 (на расстояние около1.5 млн. км), с тем, чтобы получить возможность:

а) контролировать состояние среды в окрестности этого КА;
б) изучить путем прямых измерений динамику плазмы и энергичных частиц межпланетной среды на масштабах около 2–х млн. км;
в) исследовать движения и возмущения дальнего хвоста магнитосферы Земли, которые, помимо прочего, могут сказываться и на процессах в околоземном космическом пространстве. 

Хочешь всегда знать и никогда не пропускать лучшие новости о развитии России? У проекта «Сделано у нас» есть Телеграм-канал @sdelanounas_ru. Подпишись, и у тебя всегда будет повод для гордости за Россию.