Научные задачи спутника ?Татьяна-2?.
Работы выполняются коллаборацией университетов и институтов России, Кореи и Мексики.
Основная цель-изучение взаимодействия атмосферы, ионосферы и магнитосферы Земли с помощью орбитальных детекторов. В НИИЯФ МГУ традиционно ведутся работы в этом направлении.
 |
| Рис. 1 Земля, атмосфера и ионосфера в окружении магнитосферы. |
В последние годы на спутнике Университетский-Татьяна, работавшем в течение 2005-2007 гг [1], была поставлена задача одновременного измерения УФ излучения атмосферы, наблюдаемого в диапазоне длин волн 300-400 нм в направлении надир и интенсивности потока электронов и протонов на орбите спутника. Диапазон длин волн 300-400 нм выбран в связи с тем, что в этом диапазоне излучают возбужденные молекулы ионов азота- самого распространенного газа в области нижней ионосферы- верхней атмосферы. Возбуждение молекул азота может происходить при ионизации атмосферы заряженными частицами, проникающими в верхнюю атмосферу из магнитосферы. Экспериментальное соотношение между интенсивностью УФ и интенсивностью заряженных частиц дает представление о доле частиц магнитосферы, проникающих в верхнюю атмосферу.
Данные приборов спутника Университетский-Татьяна установили помимо известного явления овала полярных сияний (УФ излучения, в том числе), когда свечение явно вызвано проникновением электронов, регистрируемых на орбите спутника на высоких широтах, сравнительно слабое УФ свечение вблизи экватора, природа которого не столь очевидна. В другом диапазоне УФ (длина волны 130,4 нм) такое свечение было замечено ранее на спутнике Космос-215 [2] и подробно изучается (длина волны 135,6 нм и вблизи нее) с помощью аппаратуры GUVI на спутнике NASA TIMED [3].
На спутнике Университетский-Татьяна были также изучены кратковременные вспышки УФ свечения (время порядка миллисекунд) [4,5]. Эти вспышки оказались сконцентрированы вблизи экватора в корреляции с грозовыми атмосферными образованиями, рис. 2.
 |
| Рис. 2 На карте нанесены координаты зарегистрированных УФ вспышек (красные точки- длительность вспышки 1-4 мсек; синие точки- длительность вспышки 10-64 мсек), работа [4]. |
Наиболее изученными вспышками света являются вспышки от молний. Кроме молний, существует менее известный тип атмосферных разрядов. Над системами грозовых облаков со спутников, самолетов и земной поверхности неоднократно наблюдались высотные оптические ?транзиентные? явления: ?синие струи? (Blue Jets), ?красные спрайты? (Red Sprites) ?эльфы? (Elves) (см. рис. 3), происхождение которых связывают с высоко-атмосферными разрядами (между облаками и ионосферой). Тип разряда скорее всего зависит от начальных условий, в которых возникает сильное электрическое поле между облаками и ионосферой: от потенциала поля, от запасенного количества электричества, от скорости нарастания поля. Уже выполненные исследования высотных разрядов позволяют выделить разряд типа Эльф среди других разрядов. Свечение Эльфов происходит в самой ионосфере, что указывает на механизм возбуждения молекул ионосферы электрическим ?атмосфериком?- быстрым электрическим импульсом, генерированным разрядом в нижней атмосфере. Длительность такого поля с высоким потенциалом мала для развития разряда в верхней атмосфере (между облаками и ионосферой). В разрядах с более длительным потенциалом (большим количеством запасенного электричества) развиваются электронно-фотонные лавины в верхней атмосфере и возникает соответствующее свечение (рис. 3).
 |
| Рис. 1 Земля, атмосфера и ионосфера в окружении магнитосферы. Рис. 3 Высоко-атмосферные оптические вспышки (с точки зрения детекторов, направленных к горизонту) . |
Теория развития высотных атмосферных разрядов постоянно совершенствуется, но для полного понимания разного типа разрядов необходимы новые комплексные экспериментальные данные, как о свечении разрядов, так и об электрических полях, их пространственно-временной структуре.
В последние годы начались исследования вспышек в верхней атмосфере с помощью специализированных спутников, на которых размещаются видео камеры, спектрометры, детекторы УФ излучения и радио- сигналов. В настоящее время наиболее широкий спектр приборов, регистрирующих излучение разрядов в области длин волн от УФ до ИК иcпользуется в установке ISUAL на спутнике FORMOSAT-2 (ROCSAT-2) [6], запущенный в мае 2004 года. Также как и в наблюдениях с поверхности земли и с борта самолета приборы ISUAL направлены горизонтально так, чтобы видеть разрез атмосферы по высоте.
На спутнике ?Университетский-Татьяна? был использован метод наблюдения транзиентных явлений в направлении надир. В этом направлении теряется наглядная картина развития свечения по вертикали, однако имеется преимущество в постоянстве рабочего поля зрения приборов и простоте наблюдения зависимости частоты разрядов на карте Земли. В детекторе вспышек УФ излучения [7] применена обратная связь между светимостью атмосферы и усилением фотодетектора (фотоэлектронным умножителем), что позволило работать в широком диапазоне светимости атмосферы от минимальной интенсивности УФ излучения 3 107 фотонов/см2 с ср в безлунные ночи до интенсивности УФ 3 109 фотонов/см2 с ср при полной луне. Впервые была обнаружена корреляция между частотой и яркостью УФ вспышек и фазой Луны (при полной луне яркие вспышки встречаются чаще).
Новые закономерности в свечении УФ, обнаруженные с помощью аппаратуры спутника ?Университетский-Татьяна? будут изучены с помощью более совершенных приборов на спутнике ?Татьяна-2?. На рис. 4 показано расположение его научной аппаратуры. Спутник будет запущен в 2009 г. на полярную орбиту с высотой 800 км.
 |
| Рис. 4 Научная аппаратура на спутнике ?Татьяна-2?. Представлена сторона спутника, направленная к Земле. Приборы спутника наблюдают атмосферу Земли (обозначено поле зрения отдельных приборов). |
Научная аппаратура спутника ?Татьяна-2?.
1. Детектор УФ и К (ультрафиолетового и красного излучения). Рабочий диапазон длин волн двух фотоприемников (ФЭУ) определен входными фильтрами (УФ: 300-400 нм и К: 600-700 нм). Оба фотоприемника (ФЭУ R1463 Хамамацу) имеют поле зрения 32o. Интенсивность излучения измеряется в широком диапазоне благодаря применению обратной связи между усилением ФЭУ и интенсивностью излучения (время установления режима авторегулировки- 1 сек). Применяются два режима измерения: мониторинг свечения атмосферы с шагом 4 сек и измерение вспышек излучения. Электроника измерения временного профиля сигналов аналогична электронике, примененной в приборе на спутнике ?Университетский-Татьяна?. В аналоговой части электроники интегрирующее время 10 μs. В цифровой части применяются временные шаги с переменным временем интегрирования. Вспышки излучения измеряются с шагом 0,5-1 мсек и числом шагов развертки цифрового осциллографа 256. Система отбора вспышек выбирает самую яркую вспышку за период 1 мин. В системе отбора интегрирующее время составляет 1/10 от времени развертки осциллографа.
2. Сцинтилляционный детектор потока заряженных частиц. Площадь сцинтиллятора 400 см2. Свет сцинтилляций собирается на ФЭУ того же типа, что в приемнике УФ и К. Электроника аналогична приемнику УФ и К. Детектор, с одной стороны, измеряет поток электронов в режиме мониторинга, и, с другой стороны, отбирает всплески потока заряженных частиц (электронов). Также как и в детекторе УФ и К для измерений в широком диапазоне интенсивности потока заряженных частиц применяется обратная связь между усилением ФЭУ и потоком электронов с временем установления режима связи 1 сек. Управление сцинтилляционным детектором производится либо событиями, отобранными электроникой детектора УФ и К, либо событиями, отобранными электроникой сцинтилляционного детектора. Выбор одного из этих вариантов производится по команде из центра управления.
3. Детектор MTEL для изучения транзиентных явлений, который состоит из двух основных частей.
а. Телескоп на основе механико- электрической кремниевой (МЭК) технологии. Телескоп работает в диапазоне УФ излучения (длины волн 300-400 нм) с полем зрения 32o. Используются два фотоприемника, 64-анодные ФЭУ с размером ячейки входного катода 2,5×2,5 мм, принимающие сигнал от зеркальца с тем же размером, расположенного на ?фокусном? расстоянии f от катода ФЭУ. В первом телескопе f=3 см и изображение объекта в атмосфере на расстоянии 800 км измеряется с шагом в атмосфере 66 км в квадрате 530×530 км. С помощью этого телескопа можно наблюдать вспышки типа Эльф, с большим поперечным размером (диаметр- несколько сот км). Для наблюдения вспышек меньшего размера служит второй телескоп с фокусным расстоянием f=30 см, у которого шаг измерения изображения объекта в атмосфере 6,6 км. Чтобы получить для второго телескопа столь же большое поле зрения (32º) зеркальце второго телескопа сделано подвижным и управляемым по технологии МЭК. Обнаруженный сигнал в первом телескопе позволяет определить угол, на который нужно повернуть зеркальце второго телескопа, чтобы изображение можно было рассмотреть с малым шагом. Более подробно принцип действия такого комбинированного телескопа изложен в работе [8]. По оценке [8] подробное изображение свечения разряда во втором телескопе можно получить для вспышек с числом УФ фотонов в атмосфере более 1021.
б. Спектрометр использует возможность наблюдения потока фотонов на многоанодном ФЭУ через 8 фильтров, покрывающих 1/8 часть катода 64-анодного ФЭУ. Каждый канал спектрометра имеет поле зрения 32o, образуемое входным окном с диаметром 4 мм, покрытым фильтром, находящимся на расстоянии 14 мм от катода ФЭУ. Каждый фильтр открывает окно с длинами волн в диапазоне около 100 нм, спектрометр перекрывает полный диапазон длин волн 300-900 нм. Эффективность регистрации фотонов с различной длиной волны определяется спектральной чувствительностью фотокатода ФЭУ и калибруется в лаборатории до проведения опыта. Электроника отбора и регистрации сигнала в каждом канале спектрометра аналогична электронике детектора УФ и К.
Подробнее детекторы спутника Татьяна-2 описаны в работе [9].
Данные нового спутника позволят выяснить вопросы, поставленные ранее в измерениях на спутнике ?Университетский- Татьяна?:
- какова роль ?высыпающихся? электронов и протонов в приэкваториальном УФ, наблюдаемом в процессе мониторинга свечении?
- как распределены на карте Земли разряды различного типа,
- каков спектр излучения во вспышках в разные моменты времени,
- какой поток электронов выходит в магнитосферу при электрических разрядах в верхней атмосфере,
- существуют ли сопряженные (в координатах геомагнитного поля) транзиентные явления в атмосфере,
- какова природа связи УФ вспышек с фазой Луны.
Литература.
- В.А. Садовничий, М.И. Панасюк, С.Ю. Бобровников, Н.. Веденкин, Н.А. Власова, Г.К. Гарипов, О.Р. Григорян, Т.А. Иванова, В.В. Калегаев, П.А. Климов, А.С. Ковтюх, С.А. Красоткин, Н.В. Кузнецов, Е.А. Муравьева, И.Н. Мягкова, Н.Н. Павлов, Р.А. Ныммик, В.Л. Петров, М.В. Подзолко, В.В. Радченко, С.Я. Рейзман, И.А. Рубинштейн, М.А. Рязанцева, Е.А. Сигаева, Э.Н. Сосновец, Л.И. Старостин, А.В. Суханов, В.И. Тулупов, Б.А. Хренов, В.М. Шахпаронов, В.Н. Шевелева, А.В. Широков, И.В. Яшин, В.В. Маркелов, Н.Н. Иванов, В.Н. Блинов, О.Ю. Седых, В.П. Пинигин, А.П. Папков, Е.С. Левин, В.М. Самков, Н.Н. Игнатьев и В.С. Ямников. Первые результаты исследования космической среды на спутнике ?Университетский- Татьяна?, Космические исследования, 45, (2007) 273-286.
- A. B. Christensen, L. J. Paxton, S. Avery, J. Craven, G. Crowley, D. C. Humm, H. Kil, R. R. Meier, C.-I Meng, D. Morrison, B. S. Ogorzalek, P. Straus, D. J. Strickland, R. M. Swenson, R. L. Walterscheid, B. Wolven, and Y. Zhang, Initial observations with the Global Ultraviolet Imager (GUVI) in the NASA TIMED satellite mission, J. Geophys. Res., 108 (A12), (2003), 1451.
- Е.К. Шеффер. Ночное свечение атмосферы в линии кислорода 1304А на низких широтах. Космические исследования, 9, (1971) 74-80.
- Г.К.Гарипов, М.И.Панасюк, В.И.Тулупов, Б.А.Хренов, А.В.Широков, И.В.Яшин, .I.Salazar. Вспышки ультрафиолетового излучения в экваториальном районе Земли. Письма в ЖЭТФ, 82, (2005), 204-206,
- Б. А. Хренов, Г. К. Гарипов, П. А. Климов, М. И. Панасюк, В. И. Тулупов, А. В. Широков, И. В. Яшин. Быстрые вспышки электромагнитного излучения в верхней атмосфере // Космические исследования, 46 (2008), 27-36.
- Mende S.B., Frey H.U., Su H.T., Hsu R.R., Chen A.B., Fukunishi h., Takahashi Y., Adachi T., Lee L.C. , Global TLE observation with ISUAL, Berkley Special Seminar, Berkley, February 15, 2005.
- Г.К.Гарипов, М.И.Панасюк, И.А.Рубинштейн, В.И.Тулупов, Б.А.Хренов, А.В.Широков, И.В.Яшин, H.I.Salazar. Детектор ультрафиолетового излучения научно-образовательного микро спутника МГУ ?УНИВЕРСИТЕТСКИЙ ? ТАТЬЯНА?. ПТЭ (2006) ?1, 135-141.
- J. H. Park, G. K. Garipov, J. A. Jeon, B. A. Khrenov, J. E. Kim, M. Kim, Y. K. Kim, C. -H. Lee, J. Lee, G. W. Na, S. Nam, I. H. Park, and Y. ?S. Park. Obscura telescope with a MEMS micromirror array for space observation of transient luminous phenomena or fast-moving objects. Optics Express 16, (2008) ? 25, 20249-20257 doi:10.1364/OE.16.020249
- G.K. Garipov, P.A. Klimov, B.A. Khrenov, M.I. Panasyuk, A.V. Dmitriev, I.N. Myagkova, V.I. Tulupov, V.M. Shahparonov, N.N. Vedenkin, I.V. Yashin, H. Salazar, O. Martinez, J. Cotzomi, E. Ponce, S.W. Nam, I.H. Park, J. Park, J. Lee, G. Na, J. Kim. UV data of the ?Universitetsky-Tatiana? satellite and plans for ?Tatiana-2?. Poster at the Corte workshop (Corsika, 2008), http://www.oma.be/TLE2008Workshop/Presentations.html. to be published inAIP, 2009.