Cпециальный космофизический практикум

Цель практикума - знакомство учащихся с методикой проведения физических измерений и современными представлениями о структуре околоземного космического пространства (ОКП) и физических процессах и явлениях в нем, а также обучение основным методам работы с экспериментальными данными, получаемыми с искусственных спутников Земли (ИСЗ).

Практикум будет основан на данных, получаемых на микроспутниках 'Университетский' и 'Компас-2'.

Для выполнения задач практикума на сайте выложены данные со спутников о потоках протонов и электронов, географические и геомагнитные координаты, координаты Мак-Илвайна (L, B), мировое время (UT), а также индексы геомагнитной активности Kp и Dst.

Задачи практикума

1.   Наблюдения радиационных поясов на высотах 400-1000 км

Цель задачи - изучение методики исследования временных и пространственных вариаций потоков электронов и протонов радиационных поясов Земли (РПЗ) по данным низковысотных ИСЗ. В задаче используются данные ИСЗ 'Университетский-Татьяна' (H~1000 км) и КОРОНАС-И (H~400 км), они имеют примерно одинаковое наклонение (около 80њ). Для выполнения задачи необходимы навыки работы с данными космофизических экспериментов в интернете и какой-либо программой построения графиков. Задача может быть рекомендована студентам физических факультетов университетов и других ВУЗов (в рамках общего ядерного практикума).

2.   Потоки захваченных частиц в области Южно-Атлантической аномалии

Цель задачи - изучение физических эффектов, связанных с воздействием аномалий геомагнитного поля на движение частиц радиационных поясов и распределения их потоков на малых высотах. Задача предназначена для студентов физических факультетов университетов и других ВУЗов, может использоваться также для факультативных занятий учащихся старших классов.

3.   Солнечные космические лучи

Цель задачи - знакомство с методами исследования динамики потоков и спектров солнечных космических лучей (СКЛ) по данным ИСЗ. Изучение СКЛ важно не только для исследования фундаментальной проблемы ускорения частиц на Солнце и в гелиосфере, но и для решения прикладных задач, поскольку СКЛ являются одним из важнейших факторов 'космической погоды'. В описании работы есть краткие сведения о вариациях СКЛ, вспышечных механизмах ускорения заряженных частиц, их распространении в межпланетном пространстве и влиянии СКЛ на околоземное космическое пространство. В задаче используются данные ИСЗ 'Университетский-Татьяна', GOES и ACE. Для ее выполнения необходимы навыки работы с базами космофизических данных в интернете и графическим редактором. Задача может быть рекомендована студентам физических факультетов университетов и других ВУЗов (в рамках общего ядерного практикума).

4.   Солнечный ветер в гелиосфере

Цель задачи - знакомство со структурой межпланетного магнитного поля, гелиосферы, распространением солнечного ветра и вспышечных выбросов солнечного вещества, а также с методом восстановления данных о местоположении солнечной вспышки, вызвавшей геомагнитную бурю. Работа рассчитана на студентов, изучающих физику космоса, астрономию, естествознание. Выполнение настоящей работы не требует специальных навыков и знаний.

5.   Ультрафиолетовое излучение ночной атмосферы Земли

Цель задачи - знакомство с методикой измерений ультрафиолетового излучения (УФ) с помощью прибора, установленного на ИСЗ. Изучаются флуоресценция атмосферы, рассеяние света в атмосфере, обратный поток УФ из атмосферы, полярные сияния в области УФ. Описание работы содержит краткие сведения по физике этих явлений. Задача основана на данных ИСЗ 'Университетский-Татьяна'. Для выполнения работы требуются минимальные навыки извлечения данных из сети интернет. Также желательно ознакомиться с рекомендованной литературой и в первую очередь с мультимедийным курсом 'Жизнь Земли в атмосфере Солнца'. Задача относится к курсам общей физики ('Оптика' и 'Атомная физика'), а также к спецкурсам по физике плазмы, астрофизике и геофизике. Она может использоваться и для факультативных занятий учащихся старших классов средней школы.

6.   Вычисление амплитуды второй зональной гармоники гравитационного поля Земли

Цель задачи - приобретение навыков использования реальной информации о кеплеровских параметрах орбиты спутника, поступающей от наземных служб наблюдения, в частности NORAD, для оценки параметров несферичности Земли. Это необходимо для понимания способов привязки измерений, проводимых на борту спутника, к реальным географическим и пространственным координатам его положения.

В качестве измеряемого параметра выбрана амплитуда второй зональной сферической гармоники, дающей основной вклад в отклонение поля Земли от сферической формы. В задаче предполагается использовать элементы самостоятельного программирования студентами при обработке реальной базы данных о положении спутника.

Задача может быть рекомендована студентам физических факультетов университетов и других ВУЗов (в рамках общего практикума по механике).

7.   Вариации относительной плотности атмосферы на орбите спутника

Цель задачи - проверка простой модели действия силы молекулярного сопротивления атмосферы на спутники, находящиеся на сравнительно невысоких близких к круговым орбитах.

Изучаются физические эффекты, связанные с учетом влияния молекулярного трения в атмосфере Земли на изменчивость кеплеровских параметров орбиты спутника. Кроме этого задача позволяет ознакомиться с влиянием солнечной активности на характеристики верхней атмосферы Земли на основе сопоставления изменчивости относительной плотности атмосферы на высоте орбиты спутника с данными о характеристиках активности Солнца.

В качестве измеряемого параметра в задаче выбран удельный коэффициент сопротивления движению спутника в атмосфере (коэффициент сопротивления, отнесенный к массе спутника). В качестве параметра, позволяющего оценить изменчивость удельного коэффициента, взят фокальный параметр орбиты, рассчитываемый по среднему движению (число оборотов в день). По данным о скорости изменения фокального параметра вычисляется удельный коэффициент сопротивления спутника, что позволяет оценить относительную изменчивость плотности атмосферы спутника на орбите. Для спутников с известными площадью поперечного сечения и массой вычисляется абсолютное значение плотности атмосферы на высоте орбиты спутника.

На последнем этапе предполагается проведение сравнительного анализа активности Солнца с изменениями абсолютной и относительной плотности атмосферы на высоте орбиты. В задаче предполагается использовать элементы самостоятельной обработки студентом реальной базы данных о положении спутника в любой подходящей системе программирования.

Задача может быть рекомендована студентам физических факультетов университетов и других ВУЗов.

8.   Вычисление проекции кеплеровской орбиты спутника на географическую карту Земли

Цель задачи - приобретение навыков моделирования движения спутника по орбите с привязкой его положения к реальным географическим координатам.

Задача реализуется в любой среде программирования (Pascal, C, C++) или интегрированных пакетах математических вычислений, имеющих возможность визуализации расчетных элементов орбиты.

В задаче предполагается реализовать возможность адаптации реальных навигационных данных о кеплеровских параметрах орбиты для вычисления текущего положения спутника на орбите без учета возмущающих факторов. В качестве усложненного варианта задачи можно предложить введение в расчетную схему учета второй зональной гармоники и трения в атмосфере.

Эта задача позволяет познакомится с принципами моделирования орбитального движения спутника вдоль орбиты. Необходимость иметь знания в этой области для физика, занимающегося космофизическими исследованиями, обусловлена тем, что одной из проблем обработки данных со спутника является их привязка к пространственным координатам. Эта проблема связана с невозможностью получать данные о положении спутника на орбите и о параметрах орбиты от служб слежения непрерывно. Такие данные поступают несколько раз в день или даже в несколько дней, а информация со спутника имеет дискретность по времени от долей секунды до нескольких часов. Поэтому приходится вычислять положение спутника на момент получения данных, пользуясь программой моделирования движения спутника.

В задаче предлагается написать небольшую программу вычисления географических координат проекции положения спутника на небесную сферу в заданный момент времени, если известны кеплеровские параметры орбиты спутника. Предлагается это сделать без учета несферичности Земли и других возмущающих факторов.

ї Научно-исследовательский институт ядерной физики им. Д. В. Скобельцына.