Актуальность исследования Солнца: задачи проекта "КОРОНАС-ФОТОН"

30 января 2009 г. с космодрома Плесецк с помощью РН «Циклон-3» стартовал российский научный ИСЗ «Коронас-Фотон». Это третий специализированный спутник для изучения Солнца и солнечной вспышечной активности в рамках научной программы «КОРОНАС»; ранее запущены «Коронас-И» (2 марта 1994 г.) и «Коронас-Ф» (31 июля 2001 г.). «Коронас-Фотон» работает на околоземной почти круговой орбите высотой 539 × 562 км, наклонением 82.48º и периодом обращения 95.67 мин.

Актуальность исследования Солнца

В настоящее время не только специалисты в области физики Солнца, климатологи и исследователи во многих смежных областях, но и большинство населения нашей планеты осознали влияние солнечной активности на многие процессы, идущие на Земле, непосредственно определяющие условия жизни и здоровье людей. Пример проблемы, выходящей на первый план для всего человечества – возможное потепление климата в долговременной перспективе (в масштабах столетий и тысячелетий) и краткосрочном прогнозе (в течение десятилетий). Статистически достоверно установлена многими метеорологическими, палеонтологическими, гляциологическими и иными измерениями тенденция к потеплению, проявляющаяся с начала 1900-х гг. В частности, согласно докладу Межправительственной группы экспертов по изменению климата глобальная средняя приземная температура в Северном полушарии в 1980 – 2007 гг. возросла на 0.5º С, а столетний тренд по всему земному шару за период 1906 – 2005 гг. составил 0.74º С.

Подавляющая часть энергии приходит на Землю от Солнца в оптическом диапазоне, причем его светимость – постоянная величина (с точностью 0.1%). Из-за наклона оси вращения Земли к плоскости орбиты и ее эллиптичности солнечный поток меняется, приводя к сезонному изменению температуры на земной поверхности. Сезонные изменения потока падающего излучения сотни лет стабильны и предсказуемы. Другая, существенно менее определенная, причина вариации излучения Солнца – солнечная активность, связанная с магнитогидродинамическими процессами в атмосфере нашего светила и, как известно, циклично изменяющаяся каждые 11 лет. Хотя на первый взгляд полная светимость Солнца, и следовательно температура земной поверхности, должны уменьшаться с ростом числа пятен на нем. Однако ситуация оказывается обратной: в текущую эпоху солнечный поток на орбите Земли в максимуме активности превышает (по сравнению с минимумом) его величину примерно на 1.3 Вт/м², что составляет только 0.1% его средней величины (1366 Вт/м²). Увеличение потока в максимуме активности связано с появлением вокруг пятен областей активности с высокой яркостью.

Уровень солнечной активности в течение последних 70 лет уникален. Не исключено, что в настоящее время активность Солнца (в 11-летних циклах) находится в некой критической точке и, возможно, например, снижение солнечной активности уже, по-видимому, в наступившем 24-м и в других ближайших циклах. По одним прогнозам, солнечная активность в максимуме 24-го цикла достигнет значения W = 145 (W – число Вольфа) в октябре 2011 г., а по другим – в августе 2012 г. (W = 185). Средневзвешенное значение предсказанной величины чисел Вольфа в максимуме составляет 115 ± 40 (апрель 2011 г. ±1.5 года). Коллективный прогноз был дан еще в начале 2008 г., однако уже сейчас видно, что он не вполне оправдывается. Спокойное (без вспышек) состояние Солнца настолько затянулась, что это даже привело некоторых ученых к гипотезе о грозящем новом «минимуме Маундера» (когда число пятен в максимуме циклов длительное время не поднималось выше 10), сопровождающемся значительным глобальном похолоданием. Наметившийся в конце марта 2008 г. рост числа пятен последующего развития не получил. Сделанный в январе 2009 г. прогноз положения максимума 24-го цикла уже соответствует максимуму в 2013 г. Последняя из активных областей, появившихся 12 февраля 2009 г., соответствует еще 23-му циклу, хотя первое солнечное пятно нового, 24-го, солнечного цикла, отождествленное по полярности магнитных силовых линий, появилось значительно раньше. В марте 2006 г. предсказывалось, что максимум активности будет достигнут в период между 2010 г. и 2011 г. Приведенная неопределенность прогноза показывает серьезную недостаточность наших знаний о механизмах, определяющих поведение солнечной активности. Детальное исследование солнечной активности во время 24-го цикла в различных энергетических диапазонах и сопоставление наблюдательных данных со столь различными теоретическими предсказаниями позволит существенно продвинуться в понимании этого явления.


Солнечная активность за последние 400 лет. Красные точки – эпизодические наблюдения, голубая линия – данные систематических наблюдений, черная линия – сглаженная зависимость солнечной активности от времени

Несмотря на малое изменение полного потока солнечного излучения в зависимости от степени активности Солнца, многие ученые отмечают корреляцию между солнечной активностью и температурой земной поверхности, а значит и климатом. В малый ледниковый период замечено синхронное снижение как числа солнечных пятен, так и температуры в период «минимума Маундера» (1645 – 1725). Другим примером корреляции служит ближайший к нам по времени «минимум Далтона», произошедший в 1790 – 1820 гг. В указанные годы в двух соседних максимумах (1805 г. и 1816 г.) отмечены очень низкие значения чисел Вольфа (W = 47.5 и 45.8 соответственно). Средняя температура в Северной Европе в это время понизилась, максимальное понижение на 2º С за 20 лет зафиксировано метеостанцией в Германии.

Солнечная активность приводит и к другим эффектам, которые в том или ином виде «запоминаются» природными процессами. В частности, вариация солнечной активности вызывает модуляцию галактических космических лучей, достигающих орбиты Земли. Эти лучи, состоящие в основном из протонов со средней энергией несколько ГэВ, взаимодействуют с ядрами газов земной атмосферы, образуя различные радиоактивные и стабильные изотопы, в том числе ¹⁴C (T_1/2 = 5730 лет) и ¹⁰Be (T_1/2 = 1.6 × 10⁶ лет). Изотоп ¹⁰Ве после образования в атмосфере практически не участвует в обменных процессах и быстро (в течение года) вымывается с осадками. Образовавшийся изотоп ¹⁴С окисляется в ¹⁴СО₂ и участвует в обменном углеродном цикле в системе атмосфера–океан. Затем они сохраняются в ряде естественных «архивов» (кольца деревьев, слои льда, ленточные глины, кораллы). Сведения о вариациях солнечной активности на больших промежутках времени получены при измерении концентраций указанных изотопов, а об изменении климата – главным образом по уровню насыщения стабильными изотопами (например, по отношениям концентраций ¹⁸O к ¹⁶O). Обнаружено, что за последние 8 тыс. лет было 18 интервалов с малой солнечной активностью.

Изменение величины падающей солнечной радиации на 0.1% в зависимости от фазы 11-летней солнечной активности указывает на то, что учет лишь эффекта прямого теплового нагрева не может объяснить наблюдаемых вариаций температуры у поверхности Земли. Многочисленные аргументы говорят о климатических изменениях, обусловленных совокупностью прямого и опосредованного воздействия составляющих солнечного излучения на атмосферу, гидросферу, литосферу, ионосферу, магнитосферу. Эти воздействия могут провоцировать процессы, оказывающие, в свою очередь, влияние на погоду и климат.

Ультрафиолетовое излучение воздействует на верхние слои атмосферы, приводя, в частности, к возрастанию концентрации озонового слоя, влияя тем самым на нагрев стратосферы, формируя стратосферные и тропосферные ветры. От уровня активности Солнца в ультрафиолетовом диапазоне зависит распределение плотности самых верхних слоев атмосферы, которая, в частности, влияет на скорость торможения космических аппаратов, работающих на околоземных орбитах. Модуляция потока космических лучей солнечной активностью приводит к вариации облачного покрова, поскольку на образование облаков влияет ионизация среды заряженными частицами. Образование облаков изменяет альбедо Земли на несколько процентов, приводя к изменению радиационного баланса атмосферы, поверхности суши и морской поверхности.


Изменение температуры Земли за последние 400 лет (реконструированное значение – сплошная голубая кривая, прямые инструментальные измерения – голубая пунктирная; величина солнечного потока – красные ромбики). Указано влияние мощных извержений вулканов, выбросы газов и пыли которых на большие высоты меняют планетарный радиационный баланс в атмосфере Земли.

Следует признать, что до сих пор точно не установлена основная причина указанной тенденции изменения климата в последние десятилетия. Специалисты рассматривают две причины: во-первых, изменение средневековой величины излучения Солнца и, во-вторых, антропогенная – изменение радиационного баланса атмосферы из-за парникового эффекта, возникающего в результате промышленной и сельскохозяйственной деятельности человека в индустриальную и постиндустриальную эпохи. От однозначного понимания вклада каждого из этих факторов напрямую зависит принятие политических, экономических и технических мер глобального характера. Определение оптимального соотношения в ближайшем будущем между различными способами получения энергии также зависит от этого понимания. Сохраняется опасность эпизодического возникновения мощных (как в марте 1989 г. и в октябре – ноябре 2003 г.) и сверхмощных вспышек (подобных легендарному событию, произошедшему 28 августа – 4 сентября 1859 г., описанному Р. Кэррингтоном и Р. Ходжсоном. Тогда в течение нескольких часов спонтанно происходили короткие замыкания в телеграфных проводах, вызвавшие ряд пожаров в США и Европе). В мае 1921 г. мощность геомагнитного шторма была столь высока, что, случись столь мощная вспышка сейчас, только в США вышедшие из строя электротехнические сети и оборудование затронули бы 130 млн. человек. К счастью, такие явления редки, в среднем четыре за солнечный цикл. В настоящее время ущерб от них может носить глобальный характер из-за колоссального развития инженерных трубопроводных, электрических и коммутационных линий, не говоря уже о спутниковых космических системах, уязвимых к воздействию магнитных бурь. Поэтому улучшение методики краткосрочного и среднесрочного прогнозирования подобных событий – важнейшая прикладная цель исследований солнечной активности.

В исследовании временных и спектральных характеристик всего Солнца, в частности, во время вспышечной и предвспышечной активности, решаются следующие основные задачи:

- изучение деталей процессов, приводящих к возникновению солнечных вспышек, которые определят их периодичность и интенсивность, и на основании этого улучшение моделей краткосрочного и долгосрочного прогноза солнечной активности;

- получение сведений по типу, энергиям и временному поведению излучений, генерируемых во вспышках и совершенствование на этой основе моделей, описывающих процессы разогрева вспышечной солнечной плазмы, ускорения частиц вплоть до ультрарелятивистских энергий;

- получение с высокой точностью усредненных по времени систематических данных об излучении Солнца в различных длинах волн;

- построение прогностических моделей поведения солнечной активности и их верификация для использования в различных отраслях деятельности: от выбора оптимального времени пребывания отдыхающих на курорте до определения сроков запуска пилотируемых космических кораблей и проведения работ космонавтами за пределами защищенной от радиации жилой зоны станции.

Солнечная активность проявляется в различных магнитогидродинамических процессах, приводящих, в частности, к возникновению на поверхности Солнца магнитных структур сложной формы. При спорадически возникшем перестроении этих структур избыточная энергия магнитного поля преобразуется в другие формы энергии (Земля и Вселенная, 2005, № 2), приводя в том числе к выбросам вещества, нагреву плазмы до высоких температур и ускорению электронов, протонов и ионов вовлеченного в процесс вещества. Ускоренные частицы, распространяясь в намагниченном веществе солнечной атмосферы, сталкиваются с ядрами окружающего вещества, образуя гамма-кванты и вторичные частицы (нейтроны, позитроны, пионы), а также возбужденные и радиоактивные ядра. Эти ядра, распадаясь и/или переходя в основное состояние, порождают электромагнитное излучение. Во время мощных вспышек в атмосфере Солнца возникают разнообразные сильные электромагнитные процессы взаимодействия ускоренных протонов и ядер.


Электромагнитные и ядерные процессы в короне и фотосфере Солнца, приводящие к генерации электромагнитного излучения во время вспышек

В интервале от 1 кэВ до нескольких ГэВ спектр электромагнитного излучения можно разбить на следующие диапазоны:

- тепловое рентгеновское излучение (1 – 20 кэВ) возникает за счет теплового излучения плазмы, нагретой до температур несколько миллионов градусов, спектр излучения которой близок к чернотельному;

- жесткое рентгеновское и мягкое гамма-излучение (20 – 300 кэВ) образуется в результате тормозного излучения ускоренных электронов;

- гамма-излучение (300 кэВ – 8 МэВ) состоит из двух компонент – непрерывного спектра от тормозного излучения электронов и совокупности ядерного квази-монохроматического излучения (ядерных линий) различной ширины. Основной механизм образования линий – переход возбужденных при столкновении ядер в основное состояние. В этот же диапазон попадают две линии высокой интенсивности: линия 0.511 МэВ от аннигиляции позитронов и линия 2.22 МэВ от захвата медленных нейтронов протонами;

- в диапазоне 8 – 40 МэВ излучение создается тормозным излучением высокоэнергичных электронов, спектр не имеет особенностей и описывается гладкой степенной или экспоненциальной функцией;

- при энергиях выше 40 МэВ существенным может быть вклад гамма-квантов от распада π-мезонов (максимум приходится на энергию ~70 МэВ).

Излучение в интервале от ультрафиолета (несколько эВ) до нескольких тысяч МэВ взаимодействует в верхних слоях атмосферы Земли, поэтому для его регистрации требуется проведение внеатмосферных наблюдений (мониторинга) во всех диапазонах электромагнитного спектра, начиная от ближнего ультрафиолета и кончая самыми высокими энергиями (вплоть до десятков ГэВ, а возможно, и выше).


Спектр электромагнитного излучения мощной солнечной вспышки длительностью 100 с (T – температура плазмы во вспышечной области, EM – мера эмиссии)

Проект «Коронас-Фотон» и задачи исследований

Внеатмосферные исследования по физике солнечных вспышек и солнечно-земных связей в России осуществляются с помощью специализированных спутников в рамках программы «КОРОНАС» (Комплексные ОРбитальные Околоземные Наблюдения Активности Солнца), являющейся частью Федеральной космической программы. «Коронас-Фотон» – третий научный спутник этой серии. Ему предшествовали «Коронас-И» (1994 – 2001 гг.) и «Коронас-Ф» (2001 – 2005 гг.). ИСЗ «Коронас-Ф» успешно работал на орбите до 6 декабря 2005 г., получив за это время большой объем научных данных, существенно превышающий объем информации о солнечной активности, накопленный за всю историю отечественной космонавтики (Земля и Вселенная, 2002, № 6; 2006, № 6).

В 1997 г. для реализации проекта «Коронас-Фотон» в структуре МИФИ был создан Институт астрофизики, но финансирование проекта оставалось весьма скудным, и работы по нему активизировались только в 2000 г. Разработкой космического аппарата занималось Федеральное государственное унитарное предприятие «Научно-производственное предприятие Всероссийский научно-исследовательский институт электромеханики им. А.Г. Иосифьяна», бортовые системы созданы в Научно-исследовательском институте электромеханики (г. Истра), головная организация по комплексу научной аппаратуры – МИФИ. Приборы разработали ученые России, Индии, Польши и Украины. Масса космического аппарата «Коронас-Фотон» 1900 кг, включая массу научных приборов, – 540 кг, длина – 2.1 м и диаметр – 1.2 м. Он оснащен двумя панелями солнечных батарей с полным размахом 11.5 м, вырабатывающих 2 кВт электроэнергии. У этого КА высокая точность одноосной ориентации: в направлении продольной оси на Солнце – лучше 5', нестабильность положения поперечных осей – не более 0.005 град./с. Местоположение КА на орбите определяется с точностью ±0.5 км (по высоте) и ±1 км (вдоль орбиты). Разработанная специалистами ИКИ РАН электронная система запоминает научную информацию объемом 8.2 Гбит в сутки, за один сеанс на Землю передается 2 Гбит данных. Срок активного существования КА – не менее трех лет.

Аппаратура ИСЗ «Коронас-Фотон» отличается от приборов предыдущих спутников данной серии более широким энергетическим диапазоном, особенно в области высоких энергий, лучшей чувствительностью, энергетическим и угловым разрешением, обладает на порядок большей информативностью, что принципиально важно при исследовании быстрых динамических процессов.


Размещение комплекса научной аппаратуры на КА «Коронас-Фотон». Изображение крупнее.

Задачи проекта «Коронас-Фотон» – определить, как накапливается энергия и каким образом она трансформируется в энергию ускоренных частиц во время солнечных вспышек, исследовать механизмы ускорения, распространения и взаимодействия энергичных частиц в атмосфере Солнца, установить корреляцию солнечной активности с физико-химическими процессами в верхней атмосфере Земли. Научные приборы осуществляют непрерывные измерения в режиме мониторинга следующих исходных параметров и величин электромагнитного и ядерного излучений:

- регистрация спектров жесткого электромагнитного излучения в широком энергетическом диапазоне от 20 кэВ до 2 тыс. МэВ с высоким временным и амплитудным разрешением и подробным исследованием гамма-линий;

- построение изображений диска Солнца с высоким угловым и временным разрешением в рентгеновских линиях;

- измерение линейной поляризации рентгеновского излучения солнечных вспышек;

- регистрация нейтронов солнечного происхождения;

- мониторинг жесткого ультрафиолетового, жесткого рентгеновского и вариаций интенсивности солнечного излучения;

- регистрация потоков, энергетических спектров и направления прихода электронов, протонов и ядер;

- регистрация космических гамма-всплесков;

- регистрация рентгеновского излучения от областей плоскости эклиптики, в которых находятся достаточно интенсивные рентгеновские источники.

На основании комплексных измерений параметров и величин электромагнитного и ядерного излучений будут исследованы проблемы, относящиеся к следующим областям науки.

Физика Солнца:

- особенности эволюции функции распределения для высокоэнергичных частиц (вплоть до энергий несколько ГэВ) с высоким временным разрешением;

- различия в динамике ускорения электронов и протонов (ядер);

- угловая анизотропия взаимодействующих частиц на основании анализа спектров излучения и параметров линейной поляризации жесткого рентгеновского излучения;

- эффекты направленности в области гамма-излучения высоких энергий;

- уточнение механизмов и условий ускорения электронов и протонов в разных фазах вспышки, а также параметров области удержания (распространения) ускоренных частиц;

- определение обилия элементов в области генерации гамма-излучения методом гамма-спектроскопии и по скорости захвата нейтронов низких энергий в атмосфере Солнца;

- восстановление энергетических спектров ускоренных протонов и ядер и динамики этих спектров по соотношению ядерных гамма-линий;

- выполнение непрерывной диагностики физического состояния солнечной плазмы методом изображающей спектроскопии;

- долговременные наблюдения вариаций интенсивности;

- уточнение параметров мод глобальных солнечных колебаний характеристик внутренних слоев Солнца на основе непрерывных наблюдений солнечного излучения в диапазоне 280 – 1500 нм;

- изучение зависимости параметров солнечных колебаний от уровня солнечной активности;

- исследование процессов первичного энерговыделения в солнечной короне – формирования горячей (10 – 20 × 10⁶ К) и сверхгорячей вспышечной (более 20 × 10⁶ К) плазмы.

Физика солнечно-земных связей:

- характеристики выбросов корональных масс и их влияния на солнечно-земные связи;

- динамика параметров верхней атмосферы Земли на основе мониторинга в жестком ультрафиолете;

- динамика области проникновения солнечных космических лучей в магнитосферу Земли во время геомагнитных возмущений;

- динамика потоков релятивистских электронов в магнитосфере Земли;

- поведение электронов в области внутреннего радиационного пояса Земли.

Астрофизика:

- изучение рентгеновского и гамма-излучения космических гамма-всплесков;

- динамика спектров и потоков рентгеновского излучения галактических и внегалактических рентгеновских источников, ядер активных галактик, жесткого рентгеновского диффузного фона.

Научные приборы «Коронас-Фотон»

Комплекс научной аппаратуры ИСЗ «Коронас-Фотон» включает 12 приборов (спектрометры, телескопы, детекторы).


Спектрометр высокоэнергичных излучений «Наталья-2М»

Спектрометр высокоэнергичных излучений «Наталья-2М» (МИФИ и ООО «Скинер») изучает эволюцию энергетических спектров жесткого электромагнитного излучения в диапазоне от 0.3 МэВ до 2 ГэВ; регистрирует нейтроны солнечного происхождения с энергиями 20 – 300 МэВ. Прибор «Наталья-2М» состоит из регистрирующего блока, систем обработки и вывода информации и высоковольтного блока питания. В регистрирующий блок прибора «Наталья-2М» входят два спектрометра, содержащие по восемь сцинтилляционных модулей и защитные сцинтилляционные детекторы. Измеренное на радиоактивных источниках и оцененное численным моделированием энергетическое разрешение для пучка гамма-квантов составляет 10% (0.662 МэВ), 6.0% (10 МэВ) и 32% (500 МэВ).

Телескоп низкоэнергичного гамма-излучения RT-2 (Индия) предназначен для изучения быстрой переменности рентгеновского излучения в солнечных вспышках. Он регистрирует временные профили солнечного рентгеновского излучения (15 кэВ – 1 МэВ) с временным разрешением 0.1 с; выполняет спектрометрию солнечного рентгеновского и гамма-излучения (10 кэВ – 1МэВ); получает изображения солнечных вспышек в жестком рентгеновском диапазоне. RT-2 включает в себя три детекторных блока, которые располагаются на внешней поверхности спутника. В блоках RT-2/S и RT-2/G используются одинаковые составные сцинтилляционные детекторы (фосвич-детекоры). Сцинтилляционные детекторы работают параллельно в двух диапазонах: 15 – 150 кэВ и 0.27 – 1 МэВ. В блоке RT-2/CZT расположено два детектора жесткого рентгеновского излучения, в одном из них использован полупроводник кадмий–цинк–теллур (CZT). Угловое разрешение для слабых вспышек составляет 30', для мощных – до 2'. Угловое разрешение другого детектора блока RT-2/CZT может достигать 5'.

Поляриметр жесткого рентгеновского излучения «Пингвин-М» (МИФИ, Физтех им. А.Ф. Иоффе РАН, Санкт-Петербург) измеряет степень линейной поляризации рентгеновского излучения в диапазоне 20 – 150 кэВ; регистрирует спектры излучения солнечных вспышек в диапазоне 18 – 450 кэВ (96 энергетических каналов) и спектры мягкого рентгеновского излучения в диапазоне 2 – 20 кэВ (12 каналов), в том числе в слабых («тепловых») вспышках и на предвспышечной стадии. В состав блока детекторов входят пять основных элементов с ФЭУ: детектор-рассеиватель жесткого рентгеновского излучения, шесть детекторов рентгеновского и гамма-излучения, антиэкранные детекторы и пропорциональные счетчики (детекторы мягкого рентгеновского излучения). В диапазоне энергий 20 – 500 кэВ регистрируется излучение, падающее на детекторы рассеянного излучения, а в 20 – 150 кэВ – излучение регистрируется детектором-рассеивателем. Спектры мягкого рентгеновского излучения в интервале 2 – 20 кэВ регистрируются двумя взаимозаменяемыми пропорциональными счетчиками. Для защиты от фона заряженных частиц и повышения стабильности работы используются верхний и нижний антисовпадательные детекторы (антиэкраны).


Блок детекторов поляриметра жесткого рентгеновского излучения «Пингвин-М»

Спектрометр рентгеновского и гамма-излучения «Конус-РФ» (Физтех им. А.Ф. Иоффе, Санкт-Петербург) выполняет постоянный мониторинг вспышек жесткого рентгеновского излучения Солнца и космических гамма-всплесков, а также поиск необычных транзиентных явлений в рентгеновских и гамма-лучах по данным непрерывного обзора небесной сферы. Прибор ищет и исследует гамма-излучение солнечных вспышек, детально обследует радиационную фоновую обстановку на орбите, чтобы обнаружить другие космические транзиенты, постоянные дискретные источники при их покрытии Землей. В целях локализации источников космических гамма-всплесков предполагается включить КА «Коронас-Фотон» в международную межпланетную сеть IPN, осуществляющую такую локализацию триангуляционным методом. Прибор содержит два детекторных блока и электронный блок с источником питания и интерфейс связи. Ось поля зрения первого детектора, «Конус-РФ-Д1», направлена на Солнце, второго, «Конус-РФ-Д2», – в противоположную сторону. Предусмотрено два основных режима наблюдений: непрерывный фоновый и кратковременный при возникновении вспышек. В фоновом режиме постоянно ведутся измерения интенсивности излучения в диапазоне 10 кэВ – 12 МэВ, временнóе разрешение – 1 – 2 с. Это позволяет контролировать, хотя и с низким спектральным разрешением, общую картину и вариации рентгеновского и гамма-излучения на околоземной орбите и выяснить причины их появления. Информативность прибора составляет 10 – 12 Мбайт в сутки.

Быстрый рентгеновский монитор БРМ (МИФИ) осуществляет быстрый мониторинг жесткого рентгеновского излучения Солнца в энергетическом диапазоне 20 – 600 кэВ с временным разрешением до 2 – 3 мс; определение временного профиля вспышек рентгеновского излучения на Солнце в шести поддиапазонах энергии (20 – 600 кэВ). Прибор состоит из двух блоков: детектора БРМ-Д и электроники БРМ-ЭМ. Сигналы с ФЭУ разделяются по амплитуде на шесть каналов, соответствующих энергетическим диапазонам, и поступают в блок электроники БРМ-ЭМ для дальнейшей обработки.

Многоканальный монитор ультрафиолетового излучения «ФОКА» (МИФИ) проводит мониторинг УФ-излучения Солнца в трех диапазонах (1 – 11 нм, 27 – 37 нм, 121.6 нм) и измеряет его поглощение в слоях атмосферы Земли на высоте 150 – 500 км, определяет корреляцию между потоками излучения в разных энергетических диапазонах. Монитор предназначен для измерения абсолютной интенсивности мягкого рентгеновского и вакуумного УФ-излучения диска Солнца с временным разрешением до 0.1 с. Детекторная часть прибора ориентирована на наше светило. Во время наблюдения диска Солнца через земную атмосферу определяется распределение ее плотности, уточняются теоретические и эмпирические модели термосферы и ионосферы. Прибор содержит блоки детекторов «ФОКА-ДМ» и электроники.

Телескоп-спектрометр для изображающей рентгеновской спектроскопии Солнца «ТЕСИС» (Физический институт им. П.Н. Лебедева РАН) исследует в мягком рентгеновском диапазоне (8 – 315 Å) пространственную структуру и динамику активных образований в солнечной короне, переходного слоя солнечной атмосферы в диапазоне температур (0.05 × 10⁶ – 20 × 10⁶ К) и влияние солнечной активности на верхнюю атмосферу Земли. Он осуществляет мониторинг и регистрацию солнечных вспышек с высоким временным (до 1 с) и пространственным (1 – 2") разрешением. На основе полученной информации будут разработаны методы раннего прогнозирования магнитных бурь и возмущений в земной магнитосфере. Комплекс «ТЕСИС» включает два телескопа FET, спектрогелиометр EUSH, коронограф крайнего УФ-диапазона SEC, изображающий спектрогелиометр MISH и рентгеновский фотометр-спектрогелиометр. FET состоит из двух телескопов системы Гершеля с полем зрения 1º и угловым разрешением 1.7", он позволяет наблюдать полный диск и корону Солнца. Один из телескопов работает в диапазоне 130 – 136 Å, где доминируют линии излучения ионов железа FeXX (132.84 Å) и FeXXIII (132.91 Å), другой регистрирует излучение (290 – 320 Å) чрезвычайно интенсивной линии ионизованного гелия HeII (303.8 Å). Плазма с температурой около 7 × 10⁴ К (линия 303.8 Å) располагается преимущественно в переходном слое солнечной атмосферы. Оба телескопа могут работать одновременно или выполнять независимые программы наблюдений. Спектрогелиометр EUSH работает в пределах 285 – 335 Å. В этой области располагаются спектральные линии излучения ионов HeII, SiIX, FeXIV – FeXVI, MgVIII, NiXVIII и других, формирующихся при температуре плазмы от 5 × 10⁴ до 1.2 × 10⁷ К. EUSH выполняет многоволновую спектральную диагностику корональной плазмы: определяет ее температуру, плотность и эмиссию. Коронограф крайнего УФ-диапазона SEC системы Ричи–Кретьена (290 – 320 Å, поле зрения – 2.5º) позволяет наблюдать корону Солнца и осуществлять мониторинг и изучение корональных выбросов массы, выявляет их связь с бурями в магнитосфере Земли. После запуска спектрогелиограф MISH стал единственным в мире инструментом, предоставляющим изображения высокотемпературных корональных областей с температурой около 10⁶ К. Приемник излучения (ПЗС-матрица) позволяет различать на Солнце детали размером около 2" (примерно 1500 км), при этом полностью покрывая диск и корону Солнца.


Блок детекторов «ФОКА-ДМ»

Многоканальный солнечный фотометр «Сокол» (ИЗМИРАН) призван наблюдать глобальные колебания Солнца по вариациям интенсивности солнечного излучения. Фотометр будет получать спектры глобальных солнечных колебаний характеристик внутренних слоев Солнца, изучать зависимость параметров солнечных колебаний от уровня солнечной активности. Он измеряет вариации интенсивности излучения Солнца в семи оптических диапазонах от ближней УФ- до ИК-области с целью определения характеристик глобальных солнечных колебаний. Прибор состоит из одного блока и ориентируется оптической осью на центр Солнца.

Анализатор заряженных частиц «Электрон-М» (НИИ ядерной физики им. Д.В. Скобельцына) изучает солнечные энергичные частицы и их взаимодействие с магнитосферой Земли, регистрирует ускоренные во время солнечных вспышек потоки и строит спектры солнечных электронов в энергетическом диапазоне 0.2 – 4.0 МэВ. Он состоит из телескопа с системой из четырех полупроводниковых кремниевых детекторов «Электрон-МД» и блока электроники «Электрон-МЭ».

Спутниковый телескоп электронов и протонов СТЭП-Ф (Харьковский национальный университет им. В.Н. Каразина, Украина) исследует динамику радиационных поясов Земли во время солнечной и магнитосферной активности, взаимосвязь потоков захваченных и высыпающихся частиц магнитосферного происхождения с протонными вспышками на Солнце и солнечными космическими лучами. Прибор представляет собой телескоп с полем зрения 97º × 97°, регистрирующий потоки электронов (0.4 – 14.3 МэВ), протонов (9.8 – 61 МэВ) и альфа-частиц (37 – 246 МэВ). Он состоит из блока детекторов СТЭП-ФД и блока обработки цифровой информации СТЭП-ФЭ. Блок детекторов содержит два идентичных кремниевых позиционно-чувствительных матричных детектора и два сцинтилляционных детектора со средним угловым разрешением направлений прихода частиц около 8°. За 2 с он может изучить тонкую структуру динамики потоков частиц во время прохождения КА через радиационные пояса и приполярные области.

Кроме перечисленных приборов на ИСЗ «Коронас-Ф» на штанге длиной 4 м установлен магнитометр СМ-8М, измеряющий три компоненты постоянного магнитного поля в диапазоне ±55 мкТл.

Исходная телеметрическая информация с научных приборов спутника «Коронас-Фотон» будет передаваться на приемные пункты Научного центра оперативного мониторинга Земли (НЦ ОМЗ, г. Москва) одновременно по двум радиоканалам в диапазоне частот 8.2 ГГц. Затем исходная информация по линиям связи поступит в созданный в МИФИ центр экспресс-обработки, накопления, хранения и распространения научных данных. После преобразования и первичной обработки соответствующая часть информации будет направляться организациям-разработчикам научной аппаратуры и иным пользователям.

Рейтинг публикации:

1

Комментарии (0) | Распечатать

Добавить новость в: