Приборы «Плазмы-Ф» помогли заглянуть в тайны солнечного ветра

3 Апр 2019

Главные результаты приборного комплекса «Плазма-Ф» по изучению солнечного ветра были представлены 2 апреля на Совете по космосу Российской академии наук. Приборы «Плазмы-Ф» непрерывно работали в космосе с 2011 года и позволили изучить с рекордным временным разрешением тонкую структуру солнечного ветра, который оказался похожим на переплетение узких струек. Систематический мониторинг солнечного ветра для прогноза космической погоды с учетом влияния мелкомасштабных характеристик среды — следующий логический шаг, который планируется сделать уже в ближайшее десятилетие.

«Плазма-Ф» начинался как инициативный эксперимент, попутная научная нагрузка на борту аппарата «Спектр-Р» — астрофизической обсерватории, которая должна была работать на вытянутой эллиптической орбите, высота которой в апогее простиралась почти до орбиты Луны. Для «Спектра-Р» высокоэллиптическая орбита была нужна, чтобы улучшить разрешение радионаблюдений. Но оказалось, что эта орбита очень выгодна и для изучения солнечного ветра — потока плазмы, который непрерывно истекает из солнечной короны, заполняет межпланетное пространство и воздействуя на магнитное поле Земли, вызывает геомагнитные бури.

Идея использовать аппарат «Спектр-Р» для попутного плазменного эксперимента принадлежит Георгию Наумовичу Застенкеру, ведущему научному сотруднику ИКИ РАН. Её в 2004 г. поддержал руководитель проекта «Спектр-Р», академик Николай Семёнович Кардашёв.

«Фактически, 90 процентов времени спутник проводит в солнечном ветре, — говорит Анатолий Петрукович, директор ИКИ РАН и руководитель прибора МЭП в составе комплекса. — Солнечный ветер — это плазменная лаборатория с недостижимыми на Земле параметрами, прежде всего, глубоким вакуумом всего 5–10 частиц в кубическом сантиметре. Протон может долететь от Солнца до Земли, ни разу не столкнувшись с другой частицей. Это так называемая бесстолкновительная среда, в которой частицы взаимодействуют с помощью электромагнитных полей. Но такого рода плазма широко распространена в дальнем космосе и около Земли мы фактически можем изучать астрофизическую среду как бы изнутри».

В составе комплекса — три научных прибора и блок сбора и хранения информации. К сожалению, с одного из «тройки», магнитометра ММФФ, данные не поступали. После нештатных операций со штангой на космодроме отсутствовал сигнал с датчиков, в то время как блок электроники исправно работал. Два других прибора: детектор энергичных частиц МЭП и плазменный спектрометр БМСВ — дали замечательные результаты.

С помощью прибора МЭП в составе комплекса «Плазма-Ф» были зарегистрированы события импульсного ускорения ионов в солнечном ветре, на границе ударной волны. Наблюдается 10-15-секундный всплеск ионов с энергиями 100 килоэлектрон-вольт (предположительно, протонов) и 200 килоэлектрон-вольт (ионов гелия)
С помощью прибора МЭП в составе комплекса «Плазма-Ф» были зарегистрированы события импульсного ускорения ионов в солнечном ветре, на границе ударной волны. Наблюдается 10-15-секундный всплеск ионов с энергиями 100 килоэлектрон-вольт (предположительно, протонов) и 200 килоэлектрон-вольт (ионов гелия)

«Благодаря МЭП удалось повысить временное разрешение данных в 10 раз по сравнению с другими подобными экспериментами. Это позволило увидеть нюансы, например, динамику вспышечного ускорения ионов на ударной волне в солнечном ветре».

Основной массив данных, однако, поступал с третьего прибора — БМСВ (сокращение от «быстрый монитор солнечного ветра»). Его задачей была регистрация ионов солнечного ветра, определение его скорости, температуры, концентрации, величины и направления потока. Уникальная особенность прибора — очень высокое временное разрешение, достигающее 32 миллисекунд, что позволило исследовать структуры солнечного ветра весьма малых для межпланетной среды пространственных масштабов ~10-20 км.

На графике показана зависимость спектральной мощности колебаний потока от частоты. С помощью прибора БМСВ впервые были проведены измерения флуктуаций потока ионов на ионно-кинетических масштабах и выделен ряд особенностей, отличающих эту область. На графике виден «излом», который характеризует новый, по сравнению с большими масштабами, тип турбулентности
На графике показана зависимость спектральной мощности колебаний потока от частоты. С помощью прибора БМСВ впервые были проведены измерения флуктуаций потока ионов на ионно-кинетических масштабах и выделен ряд особенностей, отличающих эту область. На графике виден «излом», который характеризует новый, по сравнению с большими масштабами, тип турбулентности

«Даже сейчас это рекорд не побит. Хотя с момента запуска «Спектра-Р» технология шагнула вперед, но такое временное разрешение в экспериментах последних лет до сих пор не достигнуто», — рассказала Мария Рязанцева, старший научный сотрудник ИКИ.

Таким образом, стало возможным исследовать мелкомасштабные структуры и турбулентность в космической плазме. «Мы видим, как на больших масштабах в миллионы километров, энергия поступает в систему в виде выбросов из короны Солнца, затем передаётся по «ступенькам» от больших структур к меньшим, а на малых масштабах, в десятки и сотни километров, происходит ее диссипация и нагрев плазмы. Именно благодаря БМСВ мы смогли «заглянуть внутрь» процесса диссипации энергии».

В частности, с помощью прибора БМСВ удалось установить, что солнечный ветер представляет собой не сплошной поток, а, скорее, переплетение тонких «струй», которые исследователи сравнивают со струями душевой лейки. «Мы построили карту углов прихода солнечного ветра. Это распределение оказалось несимметричным, что, по всей видимости, связано со сложной структурой магнитного поля Солнца», — пояснила Мария Рязанцева.

Благодаря тому, что данные «Плазмы-Ф» время от времени могли поступать на Землю в режиме непосредственной передачи, они также использовались в системе прогноза космической погоды, которая с 2012 года работает на сайте ИКИ РАН. «С помощью «Плазмы-Ф» мы отработали комплекс приборов для мониторинга солнечного ветра и теперь понимаем, что важно для будущих систем наблюдения и прогноза, которые могут быть реализованы в ближайшие десять лет», — подчеркнул Анатолий Петрукович.

К сожалению, из-за неполадок в бортовом передатчике с января 2019 года не удаётся наладить связь с обсерваторией «Спектр-Р» и получить накопленные за это время измерения приборного комплекса «Плазма-Ф». Попытки установить связь будут продолжаться до мая этого года, по их итогам будет принято решение о завершении работы обсерватории.

Плазменный спектрометр БМСВ Детектор энергичных частиц МЭП Магнитометр ММФФ Система сбора и хранения данных ССНИ-2
Плазменный спектрометр БМСВ Детектор энергичных частиц МЭП Магнитометр ММФФ Система сбора и хранения данных ССНИ-2
Состав приборного комплекса «Плазма-Ф» на борту КА «Спектр-Р»

 

***

«Плазма-Ф» — приборный комплекс для мониторинга межпланетной среды и вариаций солнечного ветра, установленный в качестве попутной нагрузки на космическом аппарате «Спектр-Р». Запуск состоялся 18 июня 2011 г. с космодрома Байконур. Комплекс создавался в широкой международной кооперации. Научный руководитель эксперимента — академик Лев Матвеевич Зелёный, научный руководитель ИКИ РАН, заместитель — д.ф.м.н. Георгий Наумович Застенкер, ведущий научный сотрудник ИКИ РАН.

Дополнительная информация: 

Сайт эксперимента «Плазма-Ф»