Премия Правительства Российской Федерации 2008 года
в области науки и техники

"Создание комплекса научной аппаратуры с новыми информационными каналами регистрации корпускулярного и электромагнитного излучений Солнца; приоритетные результаты в наблюдениях солнечной активности и ее воздействий на Землю со спутника КОРОНАС-Ф (2001-2005 гг.)"

выдвинута Учреждением Российской академии наук Институтом земного магнетизма, ионосферы и распространения радиоволн им. Н.В.Пушкова РАН

Пресс-релиз

Исследования Солнца и солнечно-земных связей имеют фундаментальное значение для астрофизики и для жизни на Земле. Солнце является типичной звездой, каких много во Вселенной, но только Солнце мы можем изучать не как удаленный и точечный объект, а детально наблюдая его атмосферу и происходящие на нем явления. Остается нерешенным целый ряд фундаментальных научных проблем в физике Солнца и солнечно-земных связей. Воздействия солнечной активности на Землю, изучаемые сегодня в рамках понятия «космическая погода», все больше дают о себе знать в повседневной практике, вызывая регулярные возмущения околоземного космического пространства и оказывая влияние на различные сферы человеческой деятельности. Наблюдения солнечной активности и ее воздействий на Землю, долгосрочный и краткосрочный прогноз таких воздействий становятся необходимым элементом для обеспечения надежности и безопасности человеческой деятельности на Земле и в космосе. В связи с планируемыми пилотируемыми полетами на Марс и Луну значимость разработок и исследований в этой области, связанных, в частности, с обеспечением радиационной безопасности космонавтов на межпланетных трассах перелета возрастает, и они становятся неотъемлемой частью подобного рода программ.

Настоящая работа внесла фундаментальный вклад в разработку технологической базы создания отечественных комплексов научной аппаратуры для наблюдений солнечной активности и ее воздействий на Землю из космоса.

Выполненные авторским коллективом разработки позволили:

- создать уникальный, не имеющий аналогов в мировой практике, комплекс научной аппаратуры с новыми информационными каналами регистрации корпускулярного и электромагнитного излучений Солнца и системой сбора и обработки научной информации;

- осуществить в рамках Федеральной космической программы на спутнике КОРОНАС-Ф в период с 31 июля 2001 года по 6 декабря 2005 года широкомасштабные, непрерывные и длительные наблюдения солнечной активности и ее воздействий на Землю;

- получить огромный объем оригинальных научных данных;

- получить приоритетные научные результаты в исследованиях солнечной активности и ее воздействий на Землю.

Созданная авторским коллективом технологическая база лежит в основе создания приборов комплекса научной аппаратуры спутника КОРОНАС-ФОТОН, который подготовлен к запуску в рамках Федеральной космической программы, а также используется при разработках комплекса научной аппаратуры в перспективном проекте «Интергелиозонд», выполняемом в рамках Федеральной космической программы для наблюдений Солнца с близких расстояний. Разработанный и созданный в рамках данной работы наземный комплекс управления в Институте земного магнетизма, ионосферы и распространения радиоволн им. Н.В.Пушкова Российской академии наук показал свою эффективность также и при управлении малыми спутниками «Компас», изучавшими околоземное космическое пространство.

Созданный в рамках работы комплекс научной аппаратуры не имеет отечественных аналогов. По своим научно-техническим показателям он не уступает лучшим мировым, а по ряду существенных показателей превосходит их. К таким преимуществам относятся новые информационные каналы регистрации корпускулярного и электромагнитного излучений Солнца: канал регистрации излучения в линии магния MgXII 8,42 Å; возможность одновременных регистраций в нескольких спектральных каналах (до 6 каналов) изображений Солнца и солнечных спектров с высоким временным (до 1 сек), спектральным (до 0,001 Å) и пространственным (до 3 угл.сек) разрешением; одновременность регистрации излучения по спектру и по пространству в двух любых линиях в спектральных диапазонах 280-335 Å и 180-210 Å (около 70 линий); канал линейной поляризации жесткого рентгеновского излучения (20-100 кэВ); каналы регистрации глобальных колебаний Солнца в диапазонах 350 нм, 1000-1500 нм; канал регистрации гамма-излучения с энергиями вблизи 300 МэВ; канал регистрации электронов и позитронов в диапазоне 8-150 МэВ; канал регистрации протонов в диапазоне 1-15 ГэВ по геомагнитному обрезанию вдоль орбиты спутника; возможность одновременных наблюдений за активными явлениями на Солнце и за их проявлениями в околоземном космическом пространстве единым комплексом научной аппаратуры, размещенным на одном спутнике; возможность всесторонних наблюдений верхней атмосферы Земли рентгеновским телескопом высокой светосилы и высокого пространственного разрешения, рентгеновским спектрометром высокой чувствительности и высокого спектрального и пространственного разрешения.

Рис.1.Комплекс научной аппаратуры на платформе спутника (слева). Спутник КОРОНАС-Ф на орбите.

В рамках данной работы впервые в отечественной космонавтике реализованы столь длительные (4 года и 4 месяца) непрерывные наблюдения из космоса состояния солнечной активности, что доказало высокую надежность и научную эффективность созданной аппаратуры; впервые реализованы одновременные наблюдения за активными явлениями на Солнце и за их проявлениями в околоземном космическом пространстве единым комплексом научной аппаратуры, размещенным на одном спутнике; впервые в области фундаментальных космических исследований по солнечно-земной физике получен целый ряд приоритетных научных результатов, превосходящих мировой уровень; впервые получен большой объем (более 300 Гб) уникальных научных данных о солнечной активности и ее воздействиях на Землю, превосходящий объем научной информации о солнечной активности, накопленной за всю историю отечественной космонавтики.

Рис.2.Спутник КОРОНАС-Ф, находясь внутри магнитосферы Земли, наблюдал Солнце и одновременно регистрировал проявления солнечной активности в околоземном космическом пространстве.

Авторским коллективом сделан фундаментальный вклад в изучение космического пространства и успешное выполнение Федеральной космической программы Российской Федерации в части фундаментальных космических исследований.

Краткое описание основного содержания работы

Научный комплекс спутника КОРОНАС-Ф, включавший 14 научных приборов, фактически представлял собой комплексную солнечную и солнечно-земную обсерваторию, поскольку приборы научного комплекса одновременно наблюдали за активными явлениями на Солнце и регистрировали их проявления в околоземном космическом пространстве, измеряя потоки высокоэнергичного солнечного излучения, воздействующего на атмосферу Земли, и потоки энергичных солнечных и магнитосферных частиц, отражающих динамику магнитосферы Земли. КОРОНАС - это аббревиатура названия Комплексные ОРбитальные Околоземные Наблюдения Активности Солнца. Приборы научного комплекса наблюдали Солнце во всем диапазоне электромагнитного спектра – от оптического до гамма- , и именно это позволило провести комплексный анализ активных явлений на Солнце и их воздействий на Землю.

С помощью солнечного рентгеновского телескопа СРТ-К (эксперимент СПИРИТ) и рентгеновского спектрогелиографа РЕС-К выполнена широкая программа исследований Солнца, изучены пространственно-временная структура явлений солнечной активности, механизм нагрева солнечной короны, солнечные вспышки и выбросы. На рис.3 показаны обнаруженные аппаратурой СПИРИТ и многократно исследованные новые явления, связанные со свечением высокотемпературных (до 20 миллионов градусов Кельвина) плазменных образований в солнечной короне. Изучена морфология и динамика таких образований, являющихся проявлением одного из механизмов нагрева солнечной короны. На рис.4 показана перестройка структуры магнитного поля в солнечной короне во время мощной солнечной вспышки, связанная с фундаментальным процессом магнитного пересоединения, приведшим к изменению топологии магнитного поля.

Рис.3.Эволюция горячих плазменных образований с температурой 5-15 МК в линии MgXII.

В рамках данной работы было основано новое направление исследований в физике солнечной активности – монохроматическая изображающая спектроскопия всего Солнца в рентгеновской и вакуумной ультрафиолетовой области длин волн, позволившая открыть новый класс явлений и получить уникальные данные о структуре и динамике солнечной атмосферы.

Для создания аппаратуры СПИРИТ были использованы новейшие отечественные инновационные технологии: сочетание дифракционных решеток с фокусирующей оптикой на многослойных зеркалах; кристаллическая фокусирующая оптика; светосильная схема на внеосевом многослойном параболоиде; защищенные от контаминации и радиационных повреждений детекторы изображений и т.д., что в значительной мере определило преимущества созданного комплекса аппаратуры по сравнению с мировыми аналогами.

По данным наблюдений многоканальным спектрофотометром ДИФОС обнаружено заметное увеличение амплитуды глобальных колебаний Солнца в ультрафиолетовой части спектра, важное для объяснения строения и динамики его внутренних слоев.

Рис.4.Перестройка структуры магнитного поля в солнечной короне во время мощной солнечной вспышки 7 сентября 2005 г.

Вдоль орбиты спутника КОРОНАС-Ф проведены непрерывные измерения потоков высокоэнергичных частиц солнечного и магнитосферного происхождения, на основе которых изучены ускорительные и ядерные процессы в солнечных вспышках, осуществлена регистрация высокоэнергичного гамма-излучения и потоков энергичных нейтронов от мощных вспышек, изучены эффекты деформации магнитосферы, ее структурной перестройки, динамики радиационных поясов Земли, проникновения солнечных энергичных частиц внутрь магнитосферы.

Рис.5.Пример карты свечений верхней ночной атмосферы Земли в рентгеновском диапазоне (3-5 кэВ).

Полученная научная информация широко используется кооперацией ученых исследовательских институтов Российской академии наук, Министерства образования и науки, Росгидромета и других ведомств, зарубежными учеными для научно-исследовательских работ, в том числе, среди студентов, аспирантов и молодых ученых. Полученные результаты применены в практике работы Центра прогнозов геофизической обстановки Института земного магнетизма, ионосферы и распространения радиоволн им. Н.В.Пушкова (ИЗМИРАН), который обеспечивает прогнозами состояния околоземного космического пространства предприятия Роскосмоса, МЧС, медицинские учреждения, средства массовой информации, граждан Российской Федерации, имеющих доступ к телефонной связи (автоответчик 495-775-43-57) и к интернет (http://forercast.izmiran.ru). Ежедневно интернет-сайт Центра прогнозов посещают более 1500 потребителей. Прогнозы ежедневно сообщаются по телевидению.

Полученные в рамках работы научные достижения в научно-популярной форме многократно публиковались в средствах массовой информации, пропагандировались на телевидении, в общедоступной форме излагались в лекциях для школьников и студентов.

По результатам выполненных исследований в издательстве «Наука» вышла в свет книга «Солнечно-земная физика: результаты экспериментов на спутнике КОРОНАС-Ф», создан видеофильм «КОРОНАС-Ф: от первого спутника до солнечной космической обсерватории», посвященный 50-ти летию космической эры.

Перечень некоторых приоритетных научных результатов в изучении солнечной активности и ее воздействий на Землю

1.В результате широкомасштабных, длительных и непрерывных наблюдений со спутника КОРОНАС-Ф изучена локализация и морфология многочисленных активных явлений на Солнце и их воздействия на Землю в периоды мощных событий вблизи максимума 23-го солнечного цикла. Установлен ряд характерных признаков для прогнозирования активных явлений, воздействующих на Землю.

2.Обнаружен и многократно наблюдался целый класс новых явлений, связанных со свечением высокотемпературных плазменных образований в солнечной короне. Изучена морфология и динамика таких образований, являющихся проявлением одного из механизмов нагрева солнечной короны.

3.Изучены ускорительные и ядерные процессы в солнечных вспышках. В новых информационных каналах комплекса научной аппаратуры впервые зарегистрированы позитроны от распада заряженных пионов в солнечной вспышке, гамма-излучение от распада пионов в четырех мощных вспышках, впервые измерен спектр релятивистских протонов от мощных солнечных вспышек до энергий 14 ГэВ; зарегистрированы гамма-линии от мощных солнечных вспышек. Впервые измерена высокая степень линейной поляризации жесткого рентгеновского излучения в импульсной фазе мощной вспышки. Получены доказательства процесса ускорения протонов ударной волной, образованной от вспышки, в короне Солнца и в межпланетном пространстве.

4.Изучены атомные процессы в солнечных вспышках и выполнена спектроскопическая диагностика вспышечной плазмы: впервые измерены и изучены полно-профильные спектральные линии от самых мощных вспышек; впервые измерены абсолютные сдвиги рентгеновских спектральных линий и радиальные скорости излучающей плазмы в течение всей фазы роста вспышки; обнаружены новые спектральные линии в солнечном спектре, в том числе, впервые обнаружены и изучены спектральные линии ионов солнечной плазмы для высоких значений квантовых чисел.

5.Зарегистрированы глобальные колебания Солнца и обнаружено существенное увеличение их амплитуды в ультрафиолетовой части спектра, важное для объяснения строения и динамики внутренних слоев Солнца.

6.В периоды сильных магнитных бурь изучены эффекты деформации магнитосферы, ее структурной перестройки, динамики радиационных поясов Земли, проникновения солнечных энергичных частиц внутрь магнитосферы. Определена зависимость географической широты границы проникновения солнечных космических лучей внутрь магнитосферы Земли от уровня геомагнитной возмущенности и местного времени. Проанализированы ситуации, представляющие серьезную радиационную опасность для космонавтов Международной космической станции.

7.Исследована верхняя атмосфера Земли (на высотах 100-500 км) и определены высотные зависимости коэффициентов поглощения солнечного рентгеновского излучения (8-300 Å) с высоким разрешением по высоте. Изучена зависимость от уровня солнечной активности плотности и состава верхней земной атмосферы.

8.Впервые проведены длительные измерения свечения верхней ночной атмосферы Земли и получены «карты», показывающие его динамику в рентгеновском диапазоне (см.рис.5). Установлено существование сезонной и зависящей от уровня солнечной активности вариации свечения в областях мировых магнитных аномалий. Обнаружены высыпания энергичных частиц из радиационных поясов в атмосферу в приэкваториальных областях земного шара, которые характеризуются заметным увеличением фона радиации и длительным временем жизни.

9.Выполнены уникальные наблюдения отражения гигантского всплеска в гамма-репитере SGR1806-20 от Луны. Впервые в истории внеатмосферной астрономии наблюдалась естественная локация Луны космическим источником рентгеновского и гамма-излучения огромной интенсивности, и с высокой достоверностью восстановлена интенсивность, временная история и энергетика начального импульса. На примере гигантского всплеска от гамма-репитера SGR1806-20 впервые получена самая высокая за все время наблюдений оценка величины энергетики звездно-земных связей.