ПРОЕКТ “ВАРІАНТ”: ВИМІРИ ЕЛЕКТРОМАГНІТНИХ ПОЛІВ ТА ЕЛЕКТРИЧНИХ СТРУМІВ ІОНОСФЕРНОЇ ПЛАЗМИ НА СУПУТНИКУ “СІЧ-1M”

В.Корепанов¹, Г. Лізунов², Х. Алейн³, M. Баліхін³, Я. Бленскі⁴, Ф. Дудкін¹, A. Федоров⁵, Й. Юхневич⁴, С. Клімов⁵, В. Красносельских⁶, Ф. Лефевр⁶

¹Львівський центр інституту космічних досліджень НАНУ-НКАУ, вул. Наукова, 5-А, 290601, Львів, Україна
²Київський університет ім. Т.Шевченка, пр. Глушкова, 6, 252022, Київ, Україна
³Sheffield University, Amy Johnson Building, Mappin Street, Sheffield, S1 3JD, United Kingdom
⁴Space Research Centre, 18-A Bartycka str., 00716, Warsaw, Poland
⁵Институт космических исследований, ул. Профсоюзная, 84/32, 117810, Москва, Росія
⁶LPCE/CNRS, 3A Avenue de la Recherche Scientifique, 45071, Cedex 02, Orleans, France

ВАРІАНТ - це міжнародний супутниковий проект, що має на меті реєстрацію тонкої структури електричних струмів і електромагнітних полів в іоносферно-магнітосферній плазмі. Експеримент буде проведено на борту українського супутника дистанційного зондування Землі СІЧ-1М (розробник та виготовник - КБ “Південне”), який планується у 2000р. вивести на полярну кругову орбіту з висотою 670±30 км та нахилом 83 °. Наукове обладнання супутника складається з трьох інструментів для реєстрації електричного струму космічної плазми: зонду Ленгмюра, поясу Роговського та циліндру Фарадея. Перші два прилади спеціально призначені для виміру густини електричного струму; циліндр Фарадея вимірює потік заряджених частинок. В корисне навантаження також входять сенсори електричного та магнітного полів, що функціонують в діапазоні частот від 0.1 Гц до 40 кГц. З використанням цих інструментів планується провести порівняння та перевірку декількох існуючих методік реєстрації струмів в іоносфері. Наступною метою проекту ВАРІАНТ є одночасне спостереження конвекції іоносферної плазми з борту супутника СІЧ-1М та з поверхні Землі (за даними системи радарів некогерентного розсіювання SuperDARN). Основними науковими задачами проекту ВАРІАНТ є:

·         пряме порівняння спектральних характеристик електромагнітних полів з характеристиками поздовжних струмів в полярній іоносфері; дослідження тонкої структури  електричних струмів в іоносфері;

·         вивчення зв’язку струмових структур з параметрами іоносферної конвекції;

·         дослідження технологічних проблем, пов’язаних з використанням різних експериментальних методик реєстрації електричного струму в космічній плазмі,

а також:

·         активні експерименти з бортовим радаром;

·         дослідження іоносферних явищ, зумовлених з сейсмічною та вулканічною активністю; дослідження взаємодії інфразвукових хвиль з іоносферою.

ВСТУП 

Сонячна активність є основним чинником, що впливає на стан іоносфери. Спорадичні збурення параметрів іоносферної плазми виникають як відгук на збурення параметрів сонячного вітра та магнітосфери. Проблема взаємодії сонячного вітру, магнітосфери та іоносфери є однією з головних проблем фізики сонячно-земних зв’язків; її дослідженню присвячено цілий ряд міжнародних наукових програм, що передбачають проведення наземних магнітометричних спостережень, зондування іоносфери, реєстрацію іоносферної та магнітосферної конвекції радарами некогерентного розсіювання SuperDARN та проведення прямих супутникових спостережень. Кінцевою метою цих досліджень є моніторінг стану навколоземної плазми, достатньо повний для прогнозу параметрів іоносфери та магнітосфери.

Але прогноз іоносферних збурень є дуже складною задачею. Іоносфера є відкритою системою, яка обмінюється з магнітосферою імпульсом та енергією. В цій взаємодії роль іоносфери не зводиться тільки до того, що іоносфера поглинає потоки корпускулярної та хвильової енергії, які надходять з магнітосфери, та замикає електричні струми магнітосферної плазми. Між іоносферою та магнітосферою існують канали зворотнього зв’язку, що робить всю систему нестабільною. Наприклад, електричні струми, що течуть в магнітосферній плазмі вздовж силових ліній магнітного поля, замикаються на висотах шару E через поперечну провідність іоносферної плазми (педерсенівську та холівську). При цьому будь які варіації поперечної провідності (наприклад, зумовлені перерозподілом іоносферної плазми під дією атмосферних вітрів та іншими причинами) модифікують початковий розподіл електричного струму та пов’язаний з ним глобальний розподіл електричного поля в магнітосфері.

Незважаючи на інтенсивне дослідження цих явищ у ряді супутникових експериментів (Болгарія-1300, S33, GEOTAIL, FAST, INTERBALL та ін.; див. Chmyrev et al, 1988; Lysak and Carlson, 1982; Lysak and Dum, 1983; Titova et al, 1984; Volokitin et al, 1984), цілий ряд принципових питань залишається досі відкритим. Особливу цікавість викликає дослідження:

·               розподілу струмів на денній стороні авроральної іоносфери, оскільки конфігурація цих струмів в значній мірі залежить від орієнтації міжпланетного магнітного поля,

·               електродинамічних процеси у плазмі полярних каспів, що є сильно збуреною впливом частинок та полів сонячного вітру,

·                просторової структура іоносферної конвекції, що також залежить від орієнтації та величини міжпланетного магнітного поля,

·               статистичних характеристики струмових структур.

Поряд із сонячною активністю є інший фактор, що також впливає на стан іоносфери. Це - потоки енергії, які проникають в іоносферу “знизу” - від Землі. Велика кількість спостережень останніх років свідчить про те, що в стані іоносфери локально проявляються тропосферні явища (грози, циклони, особливості циркуляції атмосфери), антропогенні фактори (пуски великих ракет, вибухи, робота потужних радіостанцій, ліній електропередач і т.д.), а також тектонічні процеси (землетруси, активні розломи, зони субдукції). В літературі широко обговорюється можливість використання іоносферних спостережень для прогнозу сейсмічної активності, а також для моніторингу природних та антропогенних катастроф.

            Основна проблема, що перешкоджає експериментальному дослідженню впливів на іоносферу “знизу” пов’язяна зі слабістю цих впливів; тільки в поодиноких випадках ефекти перевищують шуми, тобто збурення іоносфери іншої природи. Спостереження сейсмогенних ефектів в іоносфері провадяться за умовою низької сонячної активності (звичайно, значеннях Kp-индексу Kp<4). Сховані шумами сейсмогенні ефекти у принципі можуть бути відновлені на основі сучасних математичних методів розділення сигналів та шумів. Але для цього треба знати структурні відмінності сейсмічних та геліофізичних збурень іоносфери. Такий підхід, очевидно, потребує великої кількості експерименталь­них даних та відповідного математичного моделювання.

            Проект ВАРІАНТ має на меті прямі виміри розподілу електричного струму та електромагнітних полів в плазмі іоносфери; результати цих вимірів стануть новим елементом, що буде внесено до створюваної бази даних про сонячно-земні зв’язки. Другою метою проекту ВАРІАНТ є статистичне дослідження (слабких) проявів сейсмогенних ефектів в іоносфері та їх селекція на тлі іоносферних збурень геліофізичної природи.

НАУКОВЕ ОБЛАДНАННЯ СУПУТНИКА

Відповідно до основної мети проекту - дослідження відгуку іоносфери на впливи “згори” (з магнітосфери та сонячного вітру) та “знизу” (з Землі) - ми пропонуємо провести серію електромагнітних експериментів на борту українського супутника дистанційного зондування Землі СІЧ-1М. Запуск супутника заплановано на 2000 р.; час його активного функціонування - 1 рік; супутник буде виведено на циркулярну полярну орбіту з висотою 670±30 км та нахилом 83°, яка перетне основні морфологічні структури іоносферної плазми: авроральний овал, середньоширотний провал, області полярних каспів і т.д. Інструментальне обладання супутника наведено у табл. 1.

Табл. 1: Наукові інструменти проекту ВАРІАНТ

В програму експериментів ВАРІАНТ закладено ряд нових ідей. Перш за все, в корисне навантаження супутника введено одразу три незалежних інструмента для виміру густини електричного струму, який розглядається як основний “агент” іоносферно-магнітосферного зв’язку (Krasnossel’skikh et al, 1990; Krasnossel’skikh et al, 1991; Romanov et al, 1991; Vaisberg, 1985; Vaisberg et al, 1989). Одночасно з вимірами електричного струму будуть спостерігатися флуктуації електромагнітного поля, що дасть можливість розділити просторові та часові варіації вимірюваних параметрів. Ця можливість базується на ідеї (Vaisberg et al, 1989) прямої реєстрації густини струму j(r) при перетині струмового шару супутником. Густина струму визначає rot B.  Якщо магнітне поле реєструється незалежно, то виникає можливість розрахувати розподіл хвильових векторів k і обчислити частоту хвилі w (Krasnossel’skikh et al, 1991). В експериментах ВАРІАНТ густина струму буде вимірюватись Ленгмюрівським зондом (прилад WZ-1), поясом Роговського (ZF) та циліндром Фарадея (FC). Електричні та магнітні поля будуть реєструватись електричним та магнітним сенсорами (прилади EZ та WZ) в діапазоні частот ELF/VLF. Інтерес до саме цього діапазону частот пов’язаний з тим, що ELF/VLF випромінення є характерним “автографом” різноманітних типів іоносферних збурень як геліофізичної, так і сейсмічної природи.

Як видно з табл. 1, запропоноване корисне навантаження складається з 4-х типів детекторів. Три з них будуть незалежно вимірювати густину електричного струму, що дасть унікальну можливість в космічному експерименті провести порівняльне дослідження трьох існуючих методологій реєстрації іоносферних струмів.

НАУКОВА МЕТА ПРОЕКТУ ВАРІАНТ

 Основною метою проекту ВАРІАНТ є вирішення наступних наукових задач:

1.    Дослідження глобального розподілу поздовжніх електричних струмів в полярній іоносфері, структури крупномасштабних електричних полів та конвективних рухів іоносферної плазми.

2.    Співставлення супутникових спостережень з даними зондування іоносфери радарами системи SuperDARN.

3.    Дослідження хвильових процесів в плазмі полярних каспів.

4.    Реєстрація іоносферних явищ, зумовлених сейсмічною та вулканічною активністю; дослідження антропогенного впливу на іоносферу.

5.    Дослідження взаємодії інфразвукових хвиль з іоносферною плазмою; комбіновані експерименти з наземним джерелом акустичних хвиль.

6.    Активні експерименти по модифікації параметрів іоносферної плазми потужним радіовипроміненням бортового радару.

 Розглянемо ці задачі більш детально.

1. Дослідження глобального розподілу поздовжних електричних струмів в полярній іоносфері, структури крупномасштабних електричних полів та конвективних рухів іоносферної плазми

Як було сказано раніше, комплексне дослідження високоширотної іоносфери дозволяє зрозуміти фізичні механізми переносу та дисипації енергії в системі ‘сонячний вітер -> магнітосфера -> іоносфера’. Прискорені у хвості магнітосфери заряджені частинки висипаються в областях авроральних овалів, а частинки сонячного вітру безпосередньо досягають іоносфери через полярні каспи, викликаючи оптичні сяйва та додаткову іонізацію атмосфери. Завдяки високій поперечній провідності іоносфери (холлівській та педерсенівській), іоносфера замикає магнітосферні поздовжні струми, впливаючи на розподіл електричного потенціалу в магнітосфері. В результаті, глобальний розподіл електричних струмів є залежним як від структури електричних та магнітних полів магнітосфери, так і від стану іоносфери (розподілу поперечної провідності, рухів нейтральної атмосфери).

Експериментальне дослідження цих процесів потребує високоточних вимірів струмів і електричних полів (конвекції) в високоширотній іоносфері (одна з головних цілей проекту ВАРІАНТ).

2. Співставлення супутникових спостережень з даними зондування іоносфери радарами системи SuperDARN

Сітка радарів SuperDARN призначена для спостереження і дослідження магнітосферної конвекції в полярних районах методами некогерентного розсіювання. Система складається з шести радарів, які визначають 2 компоненти швидкості плазмового дрейфу в шарах E та F. Спостереження провадяться в моніторинговому режимі; їх дані згодом розповсюджуються на компакт-дисках. Група французських фахівців з LPCE (J.-P. Villain та R. Andre) проводить дослідження явища розмагнічування іонів і формування дрібномасштабних конвективних структур у вечірньому секторі магнітосфери.  Вважається, що цей процес супроводжується генерацією поздовжних електричних струмів. В проекті ВАРІАНТ буде проведено скорельовані виміри струмів і конвективних рухів з борта супутника СІЧ-1М та радарами SuperDARN.

3. Дослідження хвильових процесів в плазмі полярних каспів.

Наукове обладнання супутника СІЧ-1М дозволяє реєструвати низькочастотні типи плазмових хвиль: нижньогібрідні, іонно-звукові, іонно-циклотронні, іонні моди Бернстейна і т.д. Такі хвилі характерні для областей, де полярні каспи проектуються на іоносферу.

            Полярні каспи є областями прямого доступу частинок і полів сонячного вітру до внутрішньої магнітосфери та іоносфери. Теоретичні моделі передбачають складний характер руху плазми у каспі - генерацію вихорів, плазмових неоднорідностей та перез’єднання магнітних силових ліній. В результаті виникають потужні поздовжні струми, плазмові філаменти та хвильові структури (на іонно-циклотронній частоті та її гармоніках), які спостерігались раніше з борту супутників VIKING, OGO-5 на меньших висотах. Задачею проекту ВАРІАНТ є дослідження спектрального складу плазмової турбулентності в областях проекцій полярних каспів на іоносферу.

4. Реєстрація іоносферних явищ, зумовлених з сейсмічною та вулканічною активністю; дослідження антропогенного впливу на іоносферу

Незначні зміни параметрів верхньої атмосфери та іоносфери можуть свідчити про сейсмічні процеси в літосфері Землі. За кілько годин та діб до землетрусу часто спостерігаються характерні свічення нічного неба, електромагнітні випромінення різних діапазонів частот, різноманітні плазмові явища, що свідчать про турбулізацію іоносфери. Природа цих явищ вивчена дуже мало; їх дослідження виводить на фундаментальні проблеми фізики іоносфери (наприклад, проблему енергетичного баланса іоносфери).

            Генерація електромагнітних емісій є одним з основних проявів сейсмічного впливу на іоносферну плазму. Ці емісії спостерігались з борту іоносферних супутників, як правило в VLF діапазоні (свистові хвилі), та, рідше, в ELF діапазоні (альвенівські хвилі). Детальні спостереження сейсмогенних електромагнітних емісій в іоносфері було проведено на супутниках Інтеркосмос-19, OGO-6, Nimbus, Ореол-3, Geos-1, Geos-2, Інтеркосмос-БолгарІя-1300, DE-2 и Інтеркосмос-24. Було встановлено, що специфічний VLF шум звичайно генерується на частотах ~ десятків кГц над епіцентром майбутнього землетрусу в області з розмірами коло 200-300 км в широтному напрямку і значно більш витягнутой в долготному напрямку. Радіовипромінення виникає за 10-20 годин до початку землетрусу і продовжується приблизно стільки ж після нього, досягаючи максимуму в момент головного поштовху.

            ELF “герцові” збурення магнітного поля спостерігались за кілько годин до землетрусу в вузькій магнітній трубці (40-100 км вздовж траекторії космічного апарату), що спирається на епіцентр землетрусу. У випадку помірного землетрусу M=3.5-5 амплітуда збурень магнітного поля складала 0.2-0.5 nT/Гц на висотах 800-900 км на частоті 8 Гц. Експеримент ВАРІАНТ має на меті поповнення бази такого роду експериментальних даних.

5. Дослідження взаємодії інфразвукових хвиль з іоносферною плазмою; комбіновані експерименти з наземним джерелом акустичних хвиль

Фізичні механізми сейсмічного впливу на іоносферу, згадані в попередньому параграфі, надійно не встановлені. Одна з гіпотез полягає в тому, що на іоносферу діють акусто-гравітаційні хвилі, які збуджуються в атмосфері сейсмічними коливаннями земної поверхні. Оскільки характерні частоти сейсмічних хвиль лежать в діапазоні 0.01-1 Гц, в цьому випадку природно говорити про інфразвуковий канал сейсмо-іоносферного зв’язку. Важається, що дисипація інфразвуку в іоносфері може спровокувати збудження іоносферної конвекції та помітно змінити енергетичний баланс іоносфери. Крім того, при перетині динамо-шару іоносфери (що розташований на висотах 80-150 км) інфразвукові хвилі безпосередньо трансформуються в альвенівські електромагнітні хвилі тієї ж частоти. Вірогідно, що останні і реєструвалися супутниками.

            У розпоряджені ЛЦ ІКД НКАУ-НАНУ знаходяться потужні джерела акустичних хвиль. Попередні експерименти показують, що інфразвукове випромінення цих джерел досягає іоносфери і спричиняє генерацію ELF випромінення, найбільш імовірно, альвенівських хвиль іоносферної плазми. Проект ВАРІАНТ створює зручну можливість для проведення комбінованих експериментів з наземними акустичними джерелами і реєстрацієй відгуку іоносфери з борта супутника.

6. Активні експерименти по модифікації параметрів іоносферної плазми потужним радіовипроміненням бортового радару

Супутникові спостереження плазмових резонансів, що їх збуджує робота бортового радару (в ряді експериментів - потужного телеметричного передавача), раніше давали можливість зареєструвати спектр плазмових хвиль тільки в системі відліку супутника. Це створювало неоднозначність в ідентифікації модового складу емісій, що спостерігались. В проекті ВАРІАНТ плазмовий струм, вектори електричного та магнітного полів будуть реєструватись одночасно, що вперше дасть можливість чисто експериментальними методами (тобто без використання теоретичних допущень) визначити хвильовий вектор та дисперсію хвиль у системі відліку “нерухомої” плазми.

НАЗЕМНА ПІДТРИМКА

Одним з основних завдань проекту ВАРІАНТ є порівняння різних експериментальних методік реєстрації електричного струму в космічній плазмі. Це потребує старанного тестування кожного інструмента окремо від інших, а також обережної інтеграції всіх інструментів в єдиний блок корисного навантаження. З цією метою ще до запуску супутника планується провести серію наземних експериментів, що моделюють одночасну роботу наукових інструментів.

Наступною задачею є розробка методів опрацювання данних вимірів: кодування та стискання данних на борту супутника, формування телеметричного кадру та передачі даних на Землю, подальшої обробки інформації, створення бази данних проекту ВАРІАНТ, візуалізації і розповсюдженя інформації між користувачами. До цієї роботи планується залучити спеціалістів з центру фізики плазми “Centre Francais des Donnees de la Physique de Plasmas” (CDPP, Франція), які мають великий практичний досвід обробки даних іоносферних спостережень.

ЛІТЕРАТУРА

Chmyrev, V.M., S. Bilichenko, O. Pokhotelov, V. Marchenko, V. Lazarev, A. Streltsov, L. Stenflo, Alfven Vortices and Related Phenomena in the Ionosphere and Magnetosphere, Physica Scripta, 38, 841 (1988).

Krasnosel'skikh, V., A. M. Natanzon, A. E. Reznikov et al, Current Measurements in Space Plasmas and the Problem of Separating between Spatial and Temporal Variations in the Field of a Plane Electromagnetic Wave, Advances in Space Research, 11, N9, pp. 37-40 (1991).

Krasnosel'skikh, V, A.M. Natanzon, A.E. Reznikov et al, On the Possibility of Supporting the Multi-satellite Measurements of the Cluster Mission with Single-Satellite Measurements in the Regatta-Cluster Project, in Proceedings of an International Workshop on «Space Plasma Physics Investigations by Cluster and Regatta», edited by E.J. Rolf, ESA SP-306, p.79, Published by European Space Agency, (May, 1990).

Lysak, R.L., and C.W. Carlson, Geophys. Res. Lett., 8, 269 (1981).

Lysak, R.L., and S.T. Dum, J. Geophys. Res., 88, 365 (1983).

Romanov, S, A., Klimov S.I., Mironenko P.A. Adv. Space Res., 11, No 9, p.19-24 (1991).

Titova, V.E. Yurov, O.A. Molchanov, V. Krasnosel'skikh, et al, Small Scale Structures of Electric Field Variations and Particle Precipitations as Observed onboard of Aureol-3 Satellite, in Proceedings of  "Results of the ARCAD-3 Project and of the Recent Programs in Magnetospheric and Ionospheric Physics"; p. 447, CEPADUES-EDITION, France (May, 1984).

Vaisberg, O., On the Determination of the Spatial Scale in the Moving Reference Frame, Soviet Journal Space Research, 12, N° 6 (1985).

Vaisberg, O., S. Klimov, and V. Korepanov, Current Density Measurements in the Shock Front by means of Splitted Langmuir Probe, Soviet Journal Space Research, 27, N° 3 (1989).

Volokitin, A., V. Krasnosel’skikh, E. Mishin, L. Tyurmina, V. Sharova and S. Shkolnikova, Soviet Journal Space Research, 22, 749 (1984).