Експеримент "Плазма-Ф"

 

Хоча ще первісні люди розуміли, що Сонце - джерело всього сущого на Землі, але й досі багато невидимі нитки, які пов'язують нашу зірку і Землю, не тільки до кінця не зрозумілі, але навіть і не досліджені повністю. Тому вивчення різноманітності сонячно-земних зв'язків має велике практичне і наукове значення. Прагматичний інтерес викликає, перш за все, та сторона їх взаємодії, яка об'єднується загальною назвою "космічна погода".
Вона полягає в постійному впливі приходять від Сонця збурень на навколоземний простір: генерацію магнітних та іоносферних збурень, в свою чергу, викликають збої в сучасних технічних системах, порушення радіозв'язку (особливо в полярних районах), пошкодження автоматики ліній електропередачі та трубопроводів і навіть здоров'я людини.
Науковий же інтерес пов'язаний з можливістю вивчення в космосі бесстолкновітельной гарячої плазми, яку дуже складно відтворити в лабораторних умовах, зокрема, щоб оцінити особливості поширення в ній радіохвиль, розвиток різноманітних плазмових нестійкостей і т.п.
Для продовження та розвитку цих досліджень на занедбаному 18 липня 2011 російському астрофізичному супутнику "Спектр-Р" був поставлений експеримент "Плазма-Ф".
Основна мета супутника "Спектр-Р" - детальне вивчення радіовипромінювання далеких космічних об'єктів - чорних дір, сверхгалактік, хмар темної матерії і т.д. - За допомогою інтерферометра з дуже великою базою. Однак паралельно з основним експериментом, на цьому КА знайшлося місце і для приладового комплексу "Плазма-Ф", в завдання якого входять безпосередні вимірювання в міжпланетному просторі двох важливих компонент сонячного випромінювання - потоків плазми сонячного вітру і потоків енергійних частинок від Сонця. Орбіта високоапогейного супутника "Спектр-Р" надає прекрасні можливості для цього експерименту. Як відомо, міжпланетна середу, взаємодіючи з магнітним полем Землі, створює величезну порожнину - магнітосферу Землі, обмежену в напрямку до Землі магнітопауза (відстань до неї в соняшниковій секторі складає близько 60 тис. км), у напрямку до Сонця - навколоземній ударною хвилею (відстань до якої від Землі становить близько 100 тис. км). Усередину магнітосфери міжпланетна середу майже не проникає, тому для її вивчення треба вийти за навколоземну ударну хвилю.
Завдяки своєму високому апогею (360 тис. км), довгому періоду обертання (8,5 доби) і порівняно невисокому перигей (5-10 тис. км) супутник "Спектр-Р" близько 6-8 діб перебуває в невозмущенной міжпланетному середовищі, а потім швидко проходить крізь майже всі області магнітосфери, реєструючи їх стан.
Однією з важливих складових космічної міжпланетної та магнітосферної плазми є так звана "енергійна" компонента - іони (в основному протони) і електрони з енергіями істотно вище середньої ("тепловий") енергії основної маси плазми. До числа таких частинок відносяться, наприклад, сонячні космічні промені або частки радіаційних поясів Землі. Крім власне вивчення властивостей навколоземного простору, дослідження процесів прискорення і освіти енергійної плазми виключно важливі для астрофізики. Схожі процеси (тільки з більш високими енергіями) відповідальні за прискорення плазми в астрофізичних об'єктах, про властивості яких ми можемо судити тільки по властивостях досягає Землі вторинного випромінювання.
У радянських і російських космічних проектах накопичений великий досвід подібних спостережень. Супутник "Спектр-Р" став зручною платформою для реалізації спеціалізованого експерименту такого роду для вивчення тонкої структури прискорювальних процесів.
Комплекс наукової апаратури "Плазма-Ф" включає в себе монітор енергійних часток МЕП, енергоспектрометр плазми БМСВ, магнітометр ММФФ, систему збору наукової інформації ССНІ-2. Прилади були включені після 05.08.2011 р. і з тих пір (за винятком приладу ММФФ) безперервно працюють на орбіті, видаючи якісно нову наукову інформацію з рекордно високим тимчасовим дозволом. Прилад БМСВ дозволяє визначати основні параметри плазми сонячного вітру і магнітослоя Землі з тимчасовим дозволом 1.5-3 з по переносний швидкості, іонної температурі і концентрації і дозволом в 0.03 з за величиною і напрямком вектора потоку іонів сонячного вітру. Прилад МЕП здійснює реєстрацію енергетичних спектрів потоків енергійних іонів (у діапазоні 0.02-1.0 МеВ) і електронів (в діапазоні 20-200 КеВ) з тимчасовим дозволом не гірше 1 сек. і з високим енергетичним дозволом.
Унікальна інформація про тонкій структурі сонячного вітру і потоків енергійних часток продовжує надходити й оброблятися. В якості прикладу на рис.1 і 2 показані швидкі і великі квазігармоніческіе варіації величини та напрямку потоку іонів на фронті міжпланетної ударної хвилі, виміряні 24 жовтня 2011 з роздільною здатністю в 30 мс. Видно, що великий (приблизно в 4 рази) стрибок щільності потоку сонячного вітру відбувається за такий короткий час, як 0,3 з, а коливання щільності і полярного кута потоку мають період близько 0,5 с. Вимірювання свідчать про порушення осциляторних (шаруватої) структури плазми, стоячій по відношенню до фронту ударної хвилі, але біжить від Сонця зі швидкістю близько 500 км / с. Подібні дані про міжпланетної плазмі досі ще ніким не були отримані.


Рис.1. Залежність густини потоку іонів сонячного вітру від часу при перетині розпросторюється міжпланетної ударної хвилі на інтервалі в 10 сек. Світовий час UT дано в годинах, хвилинах і секундах. Значення потоку іонів виражено в звичайних одиницях - число частинок на квадратний см за одну секунду, помножене на 10 у 9-й ступеня.


Рис.2. Варіації кута відхилення потоку сонячного вітру відносно напрямку Сонце-Земля на міжпланетної ударної хвилі - верхня лінія зі шкалою зліва в градусах - в порівнянні з варіаціями величини потоку - нижня лінія зі шкалою праворуч у відносних одиницях. Час на інтервалі тривалістю в 4 с, частково збігається з рис.1, зазначено у годинах, хвилинах, секундах щодо деякого умовного початку відліку. Точками на лініях відзначені окремі вимірювання, що проводилися кожні 30 мсек.


Орбіта супутника "Спектр-Р" в серпні 2011 р.


На малюнку представлений приклад типових результатів реєстрації за допомогою приладу МЕП радіаційної обстановки навколо супутника "Спектр-Р" при перетині кордонів магнітосфери Землі - навколоземній ударної хвилі і магнітопаузи. На цих кордонах двічі на кожному витку орбіти супутника мають місце досить інтенсивні варіації потоків електронів (у діапазоні 30-400 кеВ) - панель А, і іонів (у діапазоні 30-700) - панель Б.


На малюнку представлений приклад результатів реєстрації досить сильного міжпланетного обурення від сонячного спалаху 22.10.2011 р. - потоку іонів сонячного вітру за даними приладу БМСВ і потоку енергійних електронів (50 - 300 кеВ) за даними приладу МЕП. Видно, що основне обурення потоку іонів, що має дуже різкі фронти, приходить до супутника 25.10.2011, а потік енергійних електронів починає своє зростання за дві доби до обурення плазми. При цьому потік енергійних частинок, в основному, змінюється досить плавно, але зростає більш ніж на порядок у порівнянні з фоном, тоді як потік іонів зростає тільки в два рази.


На панелі "А" наведено приклад такого моніторингу - запис змін щільності сонячного вітру (червона лінія) під час досить рідкісної події - дуже великого зростання щільності 14 серпня 2011 На тій же панелі показані синьою лінією значення того ж параметра за даними американського КА WIND . Видно, що відповідність даних двох КА дуже гарне.
Досягнуте в приладі БМСВ рекордну тимчасовий дозвіл параметрів плазми (0.03 с) дозволяє спостерігати раніше недоступні явища. На панелі "Б" показаний (див. червоні лінії і точки) приклад дуже швидких варіації щільності сонячного вітру в подію 25.10.2011, мають характерні часи зміни в субсекундном діапазоні, що важливо для розуміння природи сонячного вітру і динаміки його взаємодії з магнітосферою Землі. На цій же панелі наведені (синя лінія) результати одночасних вимірювань з роздільною здатністю 3 з на американському КА WIND - найшвидші з даних, наявних крім наших. Видно, що ці вимірювання, в 100 разів більш повільні, ніж наші, не дають реальних відомостей про мінливість параметрів плазми.


Високі тимчасове і енергетичне дозволу приладу БМСВ дозволили виявити швидкі варіації відносного вмісту іонів гелію (альфа-частинок) в сонячному вітрі, що важливо для розуміння процесів в сонячній короні, що є джерелом збурень приходять від Сонця до Землі.
З енерго-спектрограми сонячного вітру (Мал. А) видно, що прилад дозволяє надійно і чітко відокремити іони гелію (синьо-блакитна смужка) від протонів (червоно-жовто-зелена смужка). Отриманий часовий хід вмісту гелію (див. Рис. Б) показує, що на відміну від загальноприйнятої точки зору це зміст може відчувати швидкі і великі варіації у секундному діапазоні (наприклад, спад з 6% до 4% всього за 3 с), що свідчить про дрібномасштабної сильної неоднорідною шаруватості сонячної корони.


Дані приладу БМСВ з дуже високим тимчасовим дозволом дозволяють побудувати частотний спектр варіацій потоку іонів сонячного вітру в широкому діапазоні частот 4 * 10-2-15 Гц (см.панель "А"). Це дає можливість вперше отримати експериментальне підтвердження за параметрами плазми гіпотези про мультімасштабном струменевому характер перебігу сонячного вітру. Як видно з малюнка, ми спостерігаємо одночасне існування в сонячному вітрі як великих струменів з частотою варіацій 0.1-1 Гц, так і більш дрібних цівок з частотою в межах 1-15 Гц.

Така "струйность" відображає, очевидно, складний мультифрактального характер джерел сонячного вітру в короні Сонця, розглянутий теоретично і показаний на схемі панелі "Б".
Враховуючи вельми позитивний досвід роботи приладів БМСВ і МЕП в експерименті "Плазма-Ф" на КА "Спектр-Р" (з апогеєм 360 тис.км) представляється доцільним встановити подібний же експеримент на КА "Спектр-РГ", що подається до задню точку лібрації L2 (на відстань около1.5 млн. км), з тим, щоб отримати можливість:
а) контролювати стан середовища в околиці цього КА; б) вивчити шляхом прямих вимірів динаміку плазми і енергійних часток міжпланетної середовища на масштабах близько 2-х млн. км; в) досліджувати руху та обурення далекого хвоста магнітосфери Землі, які, крім іншого, можуть позначатися і на процесах в навколоземному космічному просторі.