ИНСТИТУТ КОСМИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЙ
РОССИЙСКОЙ АКАДЕМИИ НАУК

Институт Космических исследований
Российской Академии Наук

ИНТЕРБОЛ / INTERBALL
Макет аппарата «Интербол» в ИКИ РАН. Изображение: ИКИ РАН

ИНТЕРБОЛ (INTERBALL) — проект по исследованию солнечно-земных связей и их влияния на различные плазменные процессы в магнитосфере Земли и обтекающем ее солнечном ветре.

Проект состоял из двух пар космических аппаратов (спутник — субспутник), орбиты которых расположены в полярной области (авроральный зонд) и в хвосте магнитосферы (хвостовой зонд) соответственно. Каждая пара включала спутник типа «Прогноз» и меньший субспутник типа «Магион». Это позволяло одновременно наблюдать плазменные процессы в различных областях земной магнитосферы и солнечном ветре.

Научная аппаратура создавалась в рамках обширной научной кооперации, в которой принимали участие научные институты 17 стран. Проект ИНТЕРБОЛ стал частью Международной исследовательской программы по солнечно-земной физике, которая включала не только спутниковые проекты, но и наземные наблюдения. Международная кооперация координировалась Международной консультационной группой (Inter-Agency Consultative Group, IACG), образованной четырьмя крупнейшими космическими агентствами: РКА, ESA, NASA, ISAS.

Научные задачи

Исследования плазменных процессов в таких ключевых областях как плазменный и токовый слой хвоста магнитосферы Земли, пограничный слой и обтекающий его солнечный ветер.

Миссия

Первая пара спутников проекта ИНТЕРБОЛ под названием «Хвостовой зонд» («Интербол-1» и субспутник «Магион-4)» была запущена 3 августа 1995г. и вошла в атмосферу в октябре 2000 г., будучи в рабочем состоянии. Вторая пара спутников «Авроральный зонд» («Интербол-2» и субспутник «Магион-5)») была запущена 29 августа 1996 г. и проработала на орбите 2.5 года. Субспутники отделились от соответствующих спутников спустя короткое время после запуска и следовали за ними на расстоянии в несколько тысяч км.

Авроральный зонд имел орбиту с апогеем в 20 000 км с наклонением 62.8o, которое позволяло исследовать основные зоны авроральной области и области каспа. Хвостовой зонд имел орбиту с апогеем 200 000 км и тем же наклонением, которая позволяла проводить исследование основных областей энерговыделения и ускорения плазмы в хвосте магнитосферы Земли, а также плазменных процессов в солнечном ветре.

«Изюминкой» проекта ИНТЕРБОЛ была возможность одновременных наблюдений плазменных процессов, происходящих в различных областях земной магнитосферы и в солнечном ветре, что позволило исследовать причинно-следственные связи в явлениях магнитосферно-ионосферного взаимодействия, а также во взаимодействиях солнечного ветра с магнитосферой. Проект ИНТЕРБОЛ был одним из первым многоспутниковых проектов в истории космических исследований.

Основными научными задачами Хвостового зонда были исследования плазменных процессов в таких ключевых областях как плазменный и токовый слой хвоста магнитосферы Земли, пограничный слой и обтекающий его солнечный ветер.

Орбита Хвостового зонда позволяла ему проводить продолжительное время в плазменном и токовом слое. Это обеспечивало большую статистику наблюдений таких актуальных для современной космической физики процессов, как утоньшение токового слоя перед суббурей, наблюдение и исследование свойств ускоренных плазменных пучков и потоков, что позволяет дистанционно получать информацию об источниках их ускорения, в том числе магнитного пересоединения, происходящего в более удаленных областях хвоста.

В то же самое время Авроральный зонд проводил наблюдения сопряженных плазменных явлений в авроральной области. Такие наблюдения впервые позволили изучить авроральный отклик процессов энерговыделения и ускорения плазменных частиц в геомагнитном хвосте и имели огромное значение для понимания процессов магнитосферно-ионосферного взаимодействия.

На другом этапе проекта, когда орбиты Хвостового и Аврорального зонда пересекали области дневной магнитосферы и ионосферы, основными задачами проекта стали одновременные исследования Хвостовым зондом различных возмущений в солнечном ветре, приходящих к Земле после мощных вспышек на Солнце, и их влияния на структуру области каспа-клефта и на плазменные процессы в дневной ионосфере, наблюдаемые Авроральным зондом. Результаты, полученные на основе таких наблюдений, внесли существенный вклад в понимание причинно-следственных связей между процессами, происходящими в солнечном ветре и во внутренней магнитосфере и ионосфере.

Решение вышеперечисленных задач имело огромное значение для понимания процессов, ответственных за поступление энергии из солнечного ветра в земную магнитосферу, ее накопления и высвобождения в хвосте магнитосфере и влияния такого энерговыделения на околоземные области космического пространства и геомагнитную активность.

Подобные процессы существуют в магнитосферах других планет Солнечной системы и, скорее всего, они могут происходить в оболочках пульсаров и других астрофизических объектов. Их невозможно воспроизвести ни в одной земной плазменной лаборатории, а непосредственные наблюдения можно проводить только с помощью спутниковых экспериментов в космическом пространстве.

Орбиты аппаратов проекта "Интербол". Изображение: А. Н. Захаров, ИКИ РАН

Состав аппаратуры проекта ИНТЕРБОЛ

Хвостовой зонд
Энергичные частицы и рентгеновское излучение
  • DOC-2 Измерение энергетических спектров и угловых распределений потока электронов с энергиями 15–400 кэВ и протонов с энергиями, Ee = 10–400 кэВ, 20–1000 кэВ
  • RF-15-1 Измерение спектров и вариаций потока  солнечного рентгеновского излучения в диапазоне 2–240 кэВ и получение изображений солнечных вспышек в диапазоне 2–8 кэВ
  • SKA-2 Измерение ионного состава и потоков в диапазоне 0.05–150 кэВ и потоков электронов в диапазоне 40–200 кэВ
  • SOSNA-2 Дозиметрические измерения
  • RKI-2 Измерение солнечного ионизирующего излучения на энергиях 5, 15, 40, 100, 500 МэВ и УФ-излучения
Измерения тепловой плазмы
  • SKA-1 Измерение трёхмерной функции распределения ионов в диапазоне 0.1–5 кэВ/нуклон. Измерения энергетических спектров ионов разных масс с M = 1, 2, 4, 16  в диапазоне энергий 5–40 кэВ/нуклон в антисолнечном направлении
  • VDP Сверхбыстрые измерения интегрального потока ионов и электронов с помощью цилиндров Фарадея
  • ELECTRON Измерение трёхмерной функции распределения электронов в диапазоне энергий 0.01–26 кэВ
  • CORALL Измерение трехмерных функций распределения ионов в диапазоне энергий, Е = 0.05–25 кэВ
  • AMEI-2 Измерение энергетических спектров ионов H+, He+, He++, O+ и более тяжелых ионов в диапазоне энергий 0.1–8 кэВ/нуклон
  • MONITOR-3 Измерение потоков протонов и альфа-частиц солнечного ветра вблизи направления на Солнце с высоким временным разрешением
  • PROMICS-3 Измерение массового состава и трехмерных функций распределения ионной компоненты плазмы для диапазона M=1-32 и в диапазоне энергий 0,001–30 кэВ/нуклон
Магнитные и электрические поля и волны
  • FM-31 Измерения трех компонент магнитного поля в диапазонах +/-0.2–200 нТ и +/-0.-51000 нТ с разрешением 0.1 нТ

  • ASPI Измерение и анализ спектров плазменных волн и неустойчивостей в диапазоне 0-250 кГц:

    • MIF-M Измерение постоянного и переменного магнитного поля

    • OPERA Измерение постоянного и переменного электрического поля

    • ADS Вычисление спектров сигналов электрического и магнитного поля

    • IFPE Измерение переменных потоков ионов и электронов

    • PRAM Обработка волновых форм измеряемых сигналов магнитного поля и потоков плазмы

  • AKR-Х Изучение аврорального километрового излучения в диапазоне частот 100 кГц–1.5 МГц

Служебные системы
  • SSNI (система сбора научной информации) Сбор информации от научных приборов, формирование телеметрического кадра, запись информации на жёсткий диск (режим ЗИ) с последующим считыванием (режим ВП), либо непосредственная ТМИ на Землю. Ёмкость ЗУ до 160 Мбайт (80 МБайт на один диск). Скорость передачи 16–250 кбит/с (в зависимости от режима)
  • BNK, BNTS, BNTR, BNS Коммутационные блоки управления и привязки к ориентации спутника
Авроральный зонд
Энергичные частицы
  • SKA-3 Измерение спектров электронов и ионов в диапазоне энергий 0.03–15 кэВ; измерения анизотропия электронов и ионов (М=1, 4, 16) в диапазоне энергий 30–500 кэВ/нуклон
  • DOK-2 Измерение энергетических спектров и угловых распределений потока электронов с энергиями 15–400 кэВ и протонов с энергиями 20–1000 кэВ
  • 10К-80 Интегральный спектрометр энергичных протонов с энергией 20–200 МэВ
  • RD-1М Измеритель потока радиации
Измерения горячей плазмы
  • ION Измерение анизотропии и спектров ионов (М = 1, 2, 4, 16) в диапазоне энергий 0.005–20 кэВ
  • PROMICS-3 Измерение ионного состава (М = 1–32) и трехмерных функций распределения в диапазоне энергий 0.01–30 кэВ
Измерения тепловой плазмы
  • HYPERBOLOID Измерение ионного состава (М = 1–32) и трехмерных функций распределения в диапазоне энергий 0.1–80 эВ
  • КМ-7 Измерение температуры электронов фоновой плазмы в диапазоне до 10 эВ
  • ALPHA-3 Измерение потока тепловой плазмы (ионная ловушка) для плотностей более 1см-3 и энергий < 25 эВ/Q
  • RON Эмиттер ионов, ток I = 1–10 мкА
Магнитные и электрические поля и волны
  • IMAP-3 Измерения трех компонент магнитного поля в диапазоне +/- 70 000 нТ (разрешение 1 нТ)
  • IESP-2M Измерение напряженности постоянного электрического поля, а также ультра низко-частотных волн в диапазоне частот 0–30 Гц
  • NVK-ONCH Измерение низкочастотных электромагнитных волн в диапазоне частот 20 Гц – 20 кГц
  • POLRAD Измерение аврорального километрового излучения в диапазоне частот 20 кГц – 2 МГц
  • MEMO Анализатор электромагнитного излучения в диапазоне частот 1 Гц – 240 кГц
Оптические наблюдения
  • UVAI Ультрафиолетовый авроральный имаджер в диапазоне 140–160 нм
  • UFSIPS Измерения авроральных эмиссий кислорода в УФ-диапазоне на длинах волн 130.4, 135.6, 149.3 нм
Технологические эксперименты
  • ANOD Контроль деградации солнечных панелей
Служебные системы
  • SSNI (система сбора научной информации) Сбор информации от научных приборов, формирование телеметрического кадра, запись информации на жёсткий диск (режим ЗИ) с последующим считыванием (режим ВП), либо непосредственная ТМИ на Землю. Ёмкость ЗУ до 160 Мбайт (80 МБайт на один диск). Скорость передачи 16–250 кбит/с (в зависимости от режима)
  • BNK, BNTS, BNTR, BNS Коммутационные блоки управления и привязки к ориентации спутника

Научные результаты

1. С помощью совместных наблюдений спутников «Хвостовой зонд» и японского спутника Geotail в хвосте магнитосферы Земли впервые удалось одновременно наблюдать противоположно направленные джеты ускоренной плазмы, движущиеся в плазменном слое из области магнитного пересоединения, и получить информацию о его локализации в токовом слое хвоста.

2. С помощью наблюдений спутника «Хвостовой зонд» впервые удалось измерить вертикальную компоненту скорости магнитосферной конвекции и показать, что она составляет в среднем около 10 км/с в периоды южного направления межпланетного магнитного поля (ММП) и уменьшается практически до нуля при северном направлении ММП.

3. С помощью наблюдений спутника «Хвостовой зонд» впервые были получено экспериментальное подтверждение наличия резонансного неадиабатического ускорения ионов в пространственно-локализованных источниках расположенных в дальних областях токового слоя хвоста и показано, что такое ускорение происходит практически постоянно.

4. Благодаря уникально высокому энергетическому разрешению спектрометров ДОК-2 на спутнике «Хвостовой зонд» впервые удалось наблюдать ускорение практически моноэнергичных ионных пучков притонов, альфа-частиц и тяжелых ионов из группы CNO, как в хвосте магнитосферы Земли, так и на дневной стороне вблизи фронта головной ударной волны. Такие ионные пучки могут быть ускорены высокоамплитудными всплесками электрического поля во время разрушения токовых филамент во время нестационарного магнитного пересоединении.

5. В рамках проекта ИНТЕРБОЛ был впервые осуществлен эксперимент по просвечиванию ионосферы. Эксперимент был реализован с помощью «Аврорального зонда» и норвежского нагревного стенда EISCAT. Нагревный стенд излучал в ионосферу радиоволны, мощность которых была достаточной для модификации характеристик системы магнитосферно-ионосферного взаимодействия. Во время проведения эксперимента «Авроральный зонд» находился вблизи полуночного меридиана на высоте ~ 8000 км, т.е. много выше ионосферы, что позволило ему зарегистрировать восходящий поток электронов, генерирующий продольный электрический ток, втекающий в ионосферу и связывающий область нагрева в ионосфере с некоторой областью в магнитосферном хвосте. Данный эксперимент позволил впервые непосредственно наблюдать искусственную генерацию продольного электрического тока, аналогичного току, появляющемуся во время магнитных суббурь.

Головные организации и руководители

  • Институт космических исследований Российской академии наук (ИКИ РАН): головная организация по научной нагрузке

Коллаборация

Научная аппаратура, установленная на спутниках проекта ИНТЕРБОЛ, создавалась в рамках обширной научной кооперации, куда входили научные институты Австрии, Болгарии, Канады, Чешской Республики, Финляндии, Франции, Германии, Венгрии, Италии, Киргизии, Польши, Румынии, Словакии, Швеции, Великобритании, Кубы и Украины.

Проект ИНТЕРБОЛ стал частью Международной исследовательской программы по солнечно-земной физике (International Solar-Terrestrial Physics, ISTP) и занял достойное место в уникальном «созвездии» спутников, работающих в это время на орбите: Wind (NASA), Polar (NASA), SOHO (ESA), Geotail (JAXA) и многих других, запущенных в период 1992–2000 гг. Вместе со спутниковыми наблюдениями в рамках данной программы, производились наземные измерениями на сети станций, расположенными на различных широтах и долготах по всему земному шару. Международная кооперация координировалась Международной консультационной группой (Inter-Agency Consultative Group, IACG), образованной четырьмя крупнейшими космическими агентствами: РКА, ESA, NASA, ISAS.

Основные научные публикации

На основе данных, полученных спутниками «Интербол», было опубликовано более 500 научных статей, большинство из которых были написаны в рамках международного научного сотрудничества. К ним относятся, например, специальные выпуски таких журналов как: Annales Geophysicae (1997, Vol.15, 5; 1998, Vol.16, 9; 2002, Vol.20, 3); «Космические исследования» (№ 1, 3, 6, 1998; № 6, 1999; № 5, 2000; № 4, 2002) и сборники трудов конференций.

Полный список научных работ, выполненных в рамках проекта Интербол доступен на сайте http://iki.cosmos.ru/interball.

Хвостовой зонд

Статус: завершил работу

Запуск: 03.08.1995, космодром Плесецк

«Интербол-1» («Прогноз-11»)

Завершение работы: 16.10.2000

SCN: 23632

NSSDC ID: 1995-039A

Субспутник «Магион-4»

Завершение работы: 02.1998

SCN: 23646

NSSDC ID: 1995-039F

Головное космическое агентство: Российское космическое агентство

Авроральный зонд

Статус: завершил работу

Запуск:  29.08.1996, космодром Плесецк

«Интербол-2» («Прогноз-12»)

Завершение работы: 1999

SCN: 24293

NSSDC ID: 1996-050C

Субспутник «Магион-5»

Завершение работы: 2002

SCN: 24292

NSSDC ID: 1996-050B

Головное космическое агентство: Российское космическое агентство

Основной сайт: Проект ИНТЕРБОЛ