Исследования новых физических механизмов электрических разрядов в атмосфере
В последние годы обнаружен ряд физических явлений в атмосфере, фундаментально изменивших наше представление о грозовых разрядах.
1. В наблюдениях с космических аппаратов COMPTON и RHESSI обнаружены исключительно мощные импульсы гамма излучения, идущие от Земли (Рис. 1). Энергия импульсов достигает десятков кДж, т.е. до 10^17 - 10^18 квантов излучения с энергией 100 кэВ и выше [Fishman G.J. et al., Science, 1994; Smith D.M. et al., Science, 2005]. В настоящее время эти явления подробно исследуются. Экспериментально доказано, что эти импульсы генерируется в течение 2-3 мсек перед основным молниевым разрядом. COMPTON и RHESSI не предназначались специально для грозовых исследований. Поэтому, проводившиеся на них измерения не носят комплексного характера и не обладают достаточным временным разрешением.
2. Обнаружена генерация коротких (~ 1 мкс) одиночных радиоразрядов, приводящих к излучению радиоимпульсов сверхвысокой мощности (до 100 ГВт и выше) [Smith D.A. et al., Radio Sci., 2004; Jacobson A.R., JGR, 2003; Dwyer J.R. et al., GRL, 2005; Chubenko et al., Phys. Lett., 2003]. Импульсы генерируются в грозовых облаках на больших высотах 13-20 км. Такие импульсы создают радиоизлучение в очень широком диапазоне частот, наблюдаемое на расстояниях до нескольких тысяч километров (Рис. 2).
Рис. 2. Спектрограмма радиовсплеска.
3. В наземных наблюдениях обнаружены вспышки гамма излучения, ассоциированные со скачками электрического поля, характерными для распространения ступенчатого лидера молнии [Gurevich A.V., et al., Phys. Lett., 1992]. Гамма излучение покрывает площадь 0.3-0.5 кв. км, а возможно и больше.
В основе наблюдаемых явлений лежит теоретически предсказанное в ФИАНе новое физическое явление, получившее название пробоя на убегающих электронах [Гуревич А.В., К.П. Зыбин, УФН 2001]. Определяющую роль в этом процессе играют электроны релятивистских энергий. Рождающаяся в ходе развития пробоя лавина убегающих электронов служит источником гамма излучения. Особенностью этого вида пробоя является то, что он происходит в низких электрических полях, но требует для своей инициации затравочных частиц высокой энергии. Одновременно рождается исключительно большое число электронов низких энергий. Движение этих электронов в электрическом поле грозы рождает мощный импульс радиоизлучения [Gurevich et. al., Phys. Lett., 2003]. Принципиальную роль в развитии пробоя на убегающих электронах играют космические лучи высоких энергий [Gurevich et. al., Phys. Lett., 2004]. Широкий атмосферный ливень содержит большое количество высокоэнергичных электронов, которые и служат требуемой затравкой пробоя. Развитие широкого атмосферного ливня с частицами высоких энергий на больших высотах происходит только если он движется под углом, близким к горизонту. В этом случае происходит усиление пробоя на убегающих электронах и значительное увеличение его пространственного масштаба [Gurevich et. al., Phys. Lett., 2006]. Именно поэтому, согласно теории, разряды на больших высотах носят столь мощный характер как в радио, так и в гамма излучении.
Практическая важность предлагаемых исследований определяется следующими обстоятельствами.
1. Сверхмощное гамма излучение на высотах 10-20 км (Рис. 3) представляет значительный интерес с точки зрения безопасности как пассажиров, так и самолетов гражданской и военной авиации.
2. Большие площади, покрываемые интенсивным гамма излучением на Земле, могут оказаться важными как с точки зрения экологии, так и с точки зрения безопасности людей.
3.Сверхмощные одиночные радиоимпульсы имеют мощное излучение практически во всем используемом диапазоне радиоволн (до 3 ГГц и выше). Они могут послужить удобным природным источником излучения для создания глобального мониторинга радиосвязи.
Микроспутниковая платформа «Чибис»
С 2004 года в Институте космических исследований РАН (ИКИ РАН) проводятся работы по теме «Создание бортовой платформы микроспутника прикладного и научного назначения на основе современных технологий и разработок», включенной в программу фундаментальных исследований Президиума РАН «Изменения окружающей среды и климата: природные катастрофы».
Исходя из аппаратурно-методического опыта, имеющегося в ИКИ РАН, определен модельный состав комплексов полезной научной нагрузки для двух микроспутников серии "Чибис". Следует отметить, что аппаратура каждого из этих комплексов имеет аналоги, отработанные в ходе проведения ряда предшествующих проектов по фундаментальным космическим исследованиям.
Впервые разрабатывается комплекс измерительной аппаратуры, ориентированный на изучение грозовых разрядов, который перекрывающий практически весь спектр электромагнитных излучений и именно под эту задачу создается проект небольшого космического аппарата, его систем сбора информации и служебных систем.
В последнее десятилетие из-за сокращения финансирования всей космической индустрии, наличия конверсионных систем запуска, огромных достижений микроэлектроники, доступности элементов космических систем много внимания стало уделяться использованию малых космических аппаратов (микроспутников) для проведения научных исследований. В частности, ИКИ РАН в кооперации с российскими партнерами из космической индустрии был разработан и при поддержке РКК «ЭНЕРГИЯ» выведен на орбиту в марте 2002 года микроспутник «Колибри-2000» [Klimov, S.I., 2003].
Рис. 4. Общий вид микроспутника «Чибис».
Для реализации данного проекта, используя опыт разработки и использования микроспутника «Колибри-2000», проведена разработка микроспутника "Чибис" (Рис. 4).
Основные технические характеристики микроспутника «Чибис»
Масса 40 кг.
- научные приборы 12.5 кг.
- служебная аппаратура 18.2 кг.
- конструкция и система терморегулирования 9.3 кг.
Орбита круговая высотой ~ 500 км.
Время активного существования не менее 1 года.
Система ориентации: электромеханическая (электро- маховики) магнитодинамическая (электро-магниты), гравитационная (штанга)
- точность определения ориентации по датчикам (звездный, солнечный) и системе GPS - ГЛОНАСС до 2-х угл. мин.
- точность ориентации в орбитальной системе координат ~ 2 угл. град.
Система передачи данных:
- борт-земля 1.2 Мбит/с
- объем бортовой памяти 100 Гбайт
- объем принимаемой с борта информации ~ 50 Мбайт/сутки
- радиочастоты командной и телеметрической линий 145 МГц, 435 МГц и 2.2 ГГц.
Система бортового энергопитания
- мощность ~ 50 Вт круглосуточно.
- напряжение 12 +/- 3 В
-ёмкость БХБ, суммарная 5.0 – 8.0 А/час
- суммарная площадь солнечных батарей 0.54 м2
Микроспутник «Чибис» будет доставлен на борт МКС грузовым кораблем «Прогресс» аналогично МС «Колибри». После отделения от МКС орбита «Прогресс’а» будет поднята до высоты ~ 500 км и МС «Чибис» будет отделен и начнет функционировать на рабочей орбите.
Новизна предлагаемого подхода к исследованию новых физических механизмов электрических разрядов в атмосфере (грант РФФИ 06-02-08076) заключается в:
1). Требовании субмикросекундного временного разрешения измерительной аппаратуры и разработке принципиально новой бортовой системы сбора и обработки высокоопросной информации, которые осуществляют одновременную регистрацию процессов, происходящих в радио, оптическом и гамма диапазоне (Таблица 1);
2). Разработке, с учетом имеющегося задела и поставленной фундаментальной задачи, специальной космической платформы и комплекса научной аппаратуры;
Разработка космического эксперимента, оснащенного специальной измерительной аппаратурой и ориентированного на исследования разрядов на больших высотах является уникальным проектом по количеству и скорости измеряемых одновременно параметров. Подобный проект до настоящего времени нигде в мире не проводился и не планируется в ближайшее время, несмотря на возрастающий интерес к проблеме происхождения и механизма разрядов в верхних слоях атмосферы.