Выбор языка |
Главная О КНТС Новости Программы Направления исследований Эксперименты Результаты Информационные ресурсы Приём заявок
Шифр эксперимента: УФ Атмосфера
Направление НПИ: 2. Исследование Земли и космоса
Секция КНТС: 6. Физика космических лучей
Наименование эксперимента: Картография ночной атмосферы в ближнем УФ диапазоне широкоугольным детектором с большой апертурой и высоким пространственно-временным разрешением
Цель эксперимента:

Целью космического эксперимента «УФ атмосфера» является получение карты свечения ночной атмосферы Земли в полосе длин волн ближнего ультрафиолета (300-400 нм) в пределах широт, доступных для наблюдения с орбиты МКС.

Описание эксперимента:

Применяемый детектор фотонов УФ (64- анодный фотоэлектрический умножитель (ФЭУ) позволяет регистрировать отдельные фотоны излучения по величине заряда, соответствующего одному фотоэлектрону (ф.э.л.), которые генерируются фотонами на катоде детектора.

Дискриминатор электроники детектора формирует стандартный сигнал от фотоэлектрона с шириной не более 10 нсек. Считая сигналы ф.э.л. можно измерять число фотонов, приходящих на вход оптической системы, в течение заданного времени разрешения (измерять частоту приходящих фотонов). Предельным верхним значением частоты прихода фотонов является частота 100 Мгц, когда сигналы от отдельных электронов часто перекрываются. Предельным нижним значением частоты является частота образования ф.э.л. в самом детекторе (темновой счет фотонов). В выбранном типе ФЭУ (Хамамацу R11265-M64) темновой счет фотонов составляет 0,03 МГц. Такой счет в одной ячейке детектора создает свечение ночной атмосферы на уровне интенсивности 2 106 фот/см2 с ср. В достаточно широком интервале значений интенсивности фотонов в атмосфере от 107 до 109 фот/см2 с ср детектор измеряет интенсивность фотонов в атмосфере практически без поправок. В области близкой к нижнему и верхнему пределам измерение частоты также возможно, но с учетом внутреннего присчета фотонов при малой частоте и недосчета фотонов при большой частоте приходящих фотонов.

Порядок проведения КЭ:

Широкоугольный детектор УФ излучения ночной атмосферы создается и испытывается на Земле и доставляется на РС МКС грузовым кораблем. Космонавт располагает детектор на кварцевом окне, подключает его в электрическую сеть модуля РС МКС и выполняет инструкцию по его включению. Далее детектор работает автоматически, проводя измерения на ночной части каждого витка при открытом отверстии оптической системы и находится в «спящем» режиме при закрытом отверстии на дневной стороне Земли. При заполнении носителя информации включается сигнал «замена носителя», по которой космонавт проводит замену носителя и подготавливает отработавший носитель к отправке на Землю.

 

Новизна эксперимента:

Ближайшим аналогом предлагаемого эксперимента по задаче картографирования УФ излучения ночной атмосферы является эксперимент «Релаксация», выполняемым ЦНИИМАШ на РС МКС. В эксперименте используется спектрозональная система «Фиалка-МВ-Космос». Спектрозональная система «Фиалка-МВ-Космос» представляет собой комплект инструментально-измерительных и вычислительных средств, предназначенный для проведения фундаментальных научных и технологических исследований в диапазоне от УФ до ближнего ИК. Он используется при проведении геофизических экспериментов с целью получения и регистрации изображения полей и спектров излучения изучаемых объектов наблюдения и явлений.

Cпектрозональная система «Фиалка-МВ-Космос» состоит из:

• блока УФ-камеры (УФК);

• спектрометров СП №1 и СПМ № 2;

• видеокамеры ВК ЛК-2.

Спектральное разрешение – 1,5 нм, полоса обзора – не менее 200 км, пространственное разрешение – от 1,5 до 15 км) [8,9,10].

Преимуществом нового эксперимента «УФ атмосфера» является большая светосила детектора (на два порядка больше светосилы приборов КЭ Релаксация) и высокое временное разрешение (микросекунды, против миллисекунд прибора Релаксация). Важным для обоснования научной программы «УФ атмосфера» является вывод КЭ Релаксация о высокой эффективность использования УФ- диапазона спектра для мониторинга глобальных физических явлений естественного и техногенного характера, геофизической обстановки в атмосфере Земли и околоземном космическом пространстве.

Интересным и важным элементом программы КЭ «Релаксация» и нового КЭ «УФ атмосфера» является свечение верхней атмосферы Земли на высотах ~ 100 – 140 км под воздействием станций «нагрева ионосферы» (стенда «Сура» в частности) [11, 12, 13]. Эти исследования будут продолжены с помощью нового детектора УФ.

По задачам изучения ТАЯ в атмосфере ближайшим аналогом является НА ISUAL на спутнике Formosat-2. Аппаратура ISUAL включает в себя видеокамеру, работающую в нескольких полосах длин волн, в том числе в полосе ближнего УФ и два спектрометра. Преимуществом нового детектора является большая светосила (площадь входного отверстия оптической системы 500 см2 по сравнению с площадью 1 см2 в камере ISUAL высокое временное разрешение (2,5 мксек по сравнению с 50 мксек в ISUAL) . Из сравнения данных ISUAL с данными спутника Татьяны-2 сделан вывод о важной роли ТАЯ типа эльфов и важность измерений событий типа эльф в широком диапазоне по числу фотонов во вспышке.

Результаты предполагается использовать:

- для получения сведений о свечении атмосферы в районах разломов земной коры, при землетрясениях;

- сведений о физике свечения атмосферы под воздействием мощных ОНЧ радиостанций;

- сведений о физике ТАЯ, в том числе о роли заряженных частиц магнитосферы в образовании ТАЯ;

- о свечении атмосферы при сгорании метеороидов и вещества запускаемого человеком в окрестность Земли.

 

Научная аппаратура:

КЭ выполняется одним прибором «Широкоугольный детектор УФ излучения ночной атмосферы», устанавливаемым внутри одного из модулей РС МКС на иллюминаторе из кварцевого стекла. Назначение прибора - измерение интенсивности свечения атмосферы в области УФ во времени и пространстве.

Блоки и агрегаты, входящие в состав НА, и их назначение:

Широкоугольный детектор УФ излучения ночной атмосферы состоит из оптической системы и фотоприемника, смонтированных в одном блоке размером не более 35?35?60 см.

Апертура прибора (площадь входного отверстия) ~500 см2. Поле зрения оптической системы перекрывается ячейками детектора общим числом 2304, обеспечивающими пространственное разрешение в атмосфере ~5 км, временное разрешение 2,5 микросекунды. Этот прибор позволит измерять свечение атмосферы с таким высоким пространственно-временным разрешением, а также измерить временной ход излучения «точечных» источников свечения в течение ~60 сек, пока источник находится в поле зрения детектора.

 

Ожидаемые результаты:

Первым результатом КЭ будет измерение карты свечения ночной атмосферы в области длин волн ближнего УФ.

В Таблице представлены числа ф.э.л. ожидаемые в одной ячейке прибора «Широкоугольный детектор УФ излучения ночной атмосферы» для трех значений интенсивности УФ: 3 107 фот/см2 с ср, 108 фот/см2 с ср и 3 109 фот/см2 с ср для минимального значения времени интегрирования сигнала 2,5 мксек а также время интегрирования, необходимое для измерения 1000 ф.э.л., когда статистическая точность измерения интенсивности составляет 3%.

Главным преимуществом нового прибора является измерение пространственной структуры свечения с разрешением ~5 км, а также возможность выделения небольших по размеру источников, размером <5 км. Благодаря тому, что поле зрения детектора состоит из большого числа ячеек (48 строк ?48 колонок) имеется возможность следить за интенсивностью свечения источника в течение ~60 секунд пролета над ним всей матрицы ячеек детектора. Поиск таких «точечных» источников с изменяющейся интенсивностью свечения, представляет интерес, во всяком случае, это будет новое явление, пока не наблюдавшееся в атмосфере. Подобные источники могут быть обнаружены в индустриальных центрах, где работают лазерные и другие источники в области ближнего УФ. Свечение городов в УФ было обнаружено приборами на спутниках Татьяна-1 и -2 на уровне интенсивности 2 108 фот/см2 с ср при большом поле зрения детектора (диаметр 250-300 км), в котором просматривается весь индустриальный район. Новый прибор позволит выделить источники с малым размером, интенсивность которых может быть на три порядка выше интенсивности, измеренной детектором спутника Татьяна-2. Возможно, такую интенсивность прибор не сможет измерить точно (наступит насыщение при частоте отсчетов выше 100 Мгц). Вместе с тем будут обнаружены источники с малой интенсивности свечения в УФ.

Еще одним результатом будут данные о ТАЯ различного типа. Для оценки чисел ф.э.л. в подобных событиях воспользуемся данными эксперимента на спутнике Татьяна-2, в котором измерена интенсивность излучения ТАЯ с различной временной структурой. Из данных эксперимента ISUAL [6] можно получить оценки пространственного распределения свечения ТАЯ различного типа. Сопоставление данных об интенсивности событий с различной временной структурой и различным пространственным распределением позволяет предсказать ожидаемые характеристики ТАЯ, которые будут измерены новым детектором.

Наиболее представленными событиями ТАЯ по данным обоих экспериментов являются события типа «эльфов». Согласно данным ISUAL пространственное распределение свечение эльфов следует принять в виде кольца с радиусом, зависящим от расстояния между участком атмосферы в поле зрения детектора и молнией- источником импульса электрического поля. Ширина кольца составляет около 10 км, а диаметр кольца – сотни км. В нашей оценке диаметр кольца примем равным 300 км при ширине кольца 10 км.. Длительность свечения эльфа составляет около 1 мсек. Общее число фотонов УФ Qэ , излучаемое в событии эльфа, по данным Татьяны-2 может изменяться в широких пределах 1020 1023 и показателем «1» для Q в диапазоне 1020 1023 составляет около I(>Q)=(Q/1023 )-1 3 10-4 соб/км2 час на широтах от 0° до 30° (там, где МКС проводит большую часть времени).

Оценим число отсчетов в ячейках нового детектора при измерении события типа эльф. Примем, что эльф имеет ширину 2 ячейки в детекторе изображения и длину дуги примерно 48 ячеек (~100 км в атмосфере). Все изображение события эльф занимает ~100 ячеек. Для первой оценки будем считать, что через входное окно оптики детектора приходит число фотонов qэ равное

qэ =Qэ*S /4?R2 (1)

где Qэ – число фотонов события типа эльф, полученное из данных детектора Татьяна-2, S – площадь входного окна (S~0.05 м2) и R- высота орбиты спутника (примерное расстояние от детектора до эльфа) R=4*105 м. Для оценки примем, что это число фотонов равномерно распределено по 100 ячейкам и равномерно распределено во времени в течение длительности события 1 мсек. Учитывая квантовую эффективность катода ячейки 20% получаем частоту появления ф.э.л. в каждой «сработавшей» ячейке, равную Iфэлэ =qэ*0,2 /100?10-3 ф.э.л. в секунду (2)

В этом приближении для исходного числа фотонов события эльф Qэ =1023 получаем частоту следования ф.э.л. в ячейке 5 Ггц. Как было показано выше такую частоту невозможно регистрировать ячейкой детектора «Широкоугольный детектор УФ излучения ночной атмосферы». Доступные для регистрации частоты <50 Мгц будут осуществляться лишь для Qэ <1,2 1021, то-есть значительно менее яркими событиями, чем эльфы в классе TLE, которые изучались в экспериментах ISUAL (и других) с помощью видеокамеры. Это не означает, что события с большими числами фотонов Q не будут регистрироваться: сигналы в части ячеек, расположенных на большем расстоянии от центра изображения и в моменты времени до и после основной фазы развития события будут измерены. Однако это будут неполные данные по сравнению с данными в основной фазе, сигналы которых окажутся в области насыщения. Новый детектор позволит детально изучать структуру событий во времени и пространстве для сравнительно слабых по яркости событий, превышающих фон постоянного свечения атмосферы (в нашем приближении нижний предел Qэ ~ 1019 когда частота следования ф.э.л. в осбытийй эльф сравнивается с частотой q=0,2 Мгц следования ф.э.л. при минимальной интенсивности свечения атмосферы в безлунную ночь, 3 107 фот/см2 с ср , см. таблицу 2).

Эта область яркости свечения событий типа эльф 1019 1023 к числу фотонов Qэ <1021 по данным Татьяны-2 .

Оценим число отсчетов в ячейках нового детектора при измерении ТАЯ типа спрайт.

Примем, что спрайт имеет форму шара с радиусом 25 км в атмосфере так, что его изображение занимает в фотодетекторе круг из ~100 ячеек с длительность свечения 10 мсек. Для оценки будем считать (как в оценке событий типа эльф), что через входное окно оптики детектора приходит число фотонов qэ равное

qсп =Qсп*S /4?R2 (3) где Qcп – число фотонов события спрайт, а значения S и R те же, что для событий типа эльф. Это число фотонов равномерно распределено по 100 ячейкам и равномерно распределено во времени в течение длительности события 10 мсек. Учитывая квантовую эффективность катода ячейки 20% из этих цифр получаем частоту появления ф.э.л. в каждой ячейки, равную Iфэлсп =qсп* 0,2 /100?10-2 ф.э.л. в секунду (4)

Для Qсп =1023 получаем частоту следования ф.э.л. 0,6 Ггц, которую также как и в случае события эльф, невозможно измерить «Широкоугольным детектором УФ излучения ночной атмосферы». Вместе с тем события спрайт можно изучать при числе фотонов на порядок менее этого значения Qсп. Доступные для регистрации частоты следования ф.э.л. <50 Мгц будут осуществляться для Qсп < 1022. Нижний предел Qсп ~ 1020 соответствует частоте фоновых ф.э.л. q=0,2 Мгц для минимальной интенсивности свечения атмосферы в безлунную ночь 3 107 фот/см2 с ср , см. таблицу 2. В диапазоне 1020 1022 помимо ячеек, в которых сигнал находится в насыщении в части ячеек будут измеряться сигналы вне основной яркой области свечения (или до и после основной фазы свечения спрайта).

 

Полученные результаты:

 

Сроки проведения: 2015 – 2017 гг.
Состояние эксперимента: Готовится
Организация постановщик: постановщиком КЭ и разработчиком НА является Научно-исследовательский институт ядерной физики имени Д.В. Скобельцына Московского государственного университета имени М.В. Ломоносова
Организации участники: «Университет Тор Вергата», Рим, Италия (участник КЭ и разработчик НА); ПАО «РКК «Энергия»; ФГБУ «РГНИИ ЦПК имени Ю.А. Гагарина»; ФГУП ЦНИИмаш
Научный руководитель: Хренов Б.А., НИИЯФ МГУ, в.н.с., д.ф.-м.н.
Публикации по эксперименту:

1. В.А. Садовничий, М.И. Панасюк, С.Ю. Бобровников и др Первые результаты исследования космической среды на спутнике «Университетский- Татьяна», Космические исследования, 45, (2007) 273-286.

2. В.А. Садовничий, М.И. Панасюк, И.А.Яшин и др. Исследования космической среды на микроспутниках Университетский-Татьяна и Университетский-Татьяна-2. Астрономический вестник, 2011, том 45, № 1, с. 1–27.

3. Е.К. Шеффер. Ночное свечение атмосферы в линии кислорода 1304А на низких широтах. Космические исследования, 9, (1971) 74-80.

4. A. B. Christensen, L. J. Paxton, S. Avery, J. Craven, G. Crowley, D. C. Humm, H. Kil, R. R. Meier, C.-I Meng, D. Morrison, B. S. Ogorzalek, P. Straus, D. J. Strickland, R. M. Swenson, R. L. Walterscheid, B. Wolven, and Y. Zhang, Initial observations with the Global Ultraviolet Imager (GUVI) in the NASA TIMED satellite mission, J. Geophys. Res., 108 (A12), (2003), 1451.

5. Н.Н. Веденькин, Гарипов Г.К., Климов П.А. и др Атмосферные вспышки в ультрафиолетовом и красном-инфракрасном диапазонах по данным спутника «Университетский-Татьяна-2». ЖЭТФ , 2011, т. 140, вып. 3(9) с. 1-11.

6. Garipov G.K., Khrenov B.A., Klimov P.A. et al. Global transients in ultraviolet and red-infrared ranges from data of Universitetsky-Tatiana-2 satellite. JGR- atmosphere, v. 118, p. 370–379, doi:10.1029/2012JD017501, 2013.

7. Mende S.B., Frey H.U., Su H.T., Hsu R.R., Chen A.B., Fukunishi h., Takahashi Y., Adachi T., Lee L.C. , Global TLE observation with ISUAL, Berkley Special Seminar, Berkley, February 15, 2005.

8. Анфимов Н.А., Землянский Б.А., Карабаджак Г.Ф., Пластинин Ю.А. Исследования на МКС атмосферы и ионосферы Земли // Полет, 2007, № 12, с.3-10.

9. Землянский Б.А., Карабаджак Г.Ф., Пластинин Ю.А. Космические эксперименты «Релаксация»: научные задачи, аппаратура и результаты исследований на борту Российского сегмента Международной космической станции. // Космонавтика и ракетостроение, 2007 г., вып. 4 (49), стр. 33-40.

10. Пахомов Д.А., Прохоров С.Ю., Ризванов А.А., Саушкин А.М. и др. Методы и средства гиперспектральных метеорологических наблюдений с борта космических аппаратов // «Космонавтика и ракетостроение», 2011, вып.2(63), с. 133-140.

11. Карабаджак Г.Ф., Комраков Г.П., Кузнецов В.Д., Пластинин Ю.А., Ружин Ю.Я., Фролов В.Л., Хмелинин Б.А. Исследование глобальных пространственно-временных характеристик свечения верхней атмосферы и ионосферы Земли при воздействии на них радиоизлучения при наблюдении с борта МКС // Космонавтика и ракетостроение, 2009, вып. 4 (57), стр. 88-94.

12. Ruzhin Yu.Ya., Kuznetsov V.D., Karabadzhak G.F., Plastinin Ya.A., Frolov V.L. et al.“ The ionosphere- magnetosphere excitation in the Sura - ISS HF experiments”. 38th COSPAR, 2010, Bremen, Germany, Abstr. C 52-0036-08.

13. Карабаджак Г.Ф., Калери А.Ю., Ковалев В.И., Комраков Г.П., Кузнецов В.Д., Пластинин Ю.А., Ружин Ю.А., Фролов В.Л., Хмелинин Б.А. Наблюдения глобальных оптико-физических явлений в верхних слоях атмосферы Земли при воздействии на них мощного радиоизлучения нагревного стенда // «Космонавтика и ракетостроение», 2011, вып.2(63), с. 111-118.

Последнее обновление: 21.11.2017

Информационная справка

Программы

Изображения