ИНСТИТУТ КОСМИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЙ
РОССИЙСКОЙ АКАДЕМИИ НАУК

Институт Космических исследований
Российской Академии Наук

ПЛАЗМА-Ф / PLASMA-F
Поймать солнечный ветер

«Плазма-Ф» — плазменно-магнитный эксперимент по прямому измерению параметров плазмы, магнитного поля и энергичных частиц в межпланетной среде и магнитосфере.

Комплекс эксперимента «Плазма-Ф» был установлен в качестве дополнительной научной нагрузки на космическом аппарате «Спектр-Р» (проект «РадиоАстрон»).

Научные задачи

  • провести мониторинг межпланетной среды в целях изучения и предсказания «космической погоды»;
  • исследовать турбулентность солнечного ветра в малоизученном диапазоне частот 0,1-15 Гц;
  • исследовать процессы ускорения энергичных частиц.

Миссия

Земная магнитосфера — область вблизи Земли, в которой поведение заряженных частиц (протонов, других ионов и электронов) определяется магнитным полем Земли.

В отсутствии других сил магнитосфера представляла бы собой шарообразный «пузырь». Но Земля погружена в поток «солнечного ветра» — плазму, постоянно истекающую от Солнца, и форма земной магнитосферы меняется. Она поджата со стороны, обращённой к Солнцу, и удлинена с обратной стороны, образуя так называемый «хвост магнитосферы». Расстояние от Земли до магнитопаузы (границы магнитосферы) в сторону Солнца составляет около 60 тыс. км, а до околоземной ударной волны – около 90 тыс. км. Протяженность же хвоста магнитосферы в противоположную от Солнца сторону составляет миллионы км.

Наблюдения за магнитосферой Земли и солнечным ветром, действующим на нее, важны для понимания солнечно-земных связей и, в частности, для изучения и прогноза «космической погоды» — состояния околоземной космической среды, связанного с солнечной активностью.

Эксперимент «Плазма-Ф» входил в международную программу многоспутниковых измерений, посвященных «космической погоде» и магнитосферным исследованиям. Он был установлен на борту космического аппарата «Спектр-Р». Аппарат обращался вокруг Земли по уникальной орбите, которая позволяет проводить измерения как внутри магнитосферы Земли, так и, главным образом, за её пределами. Параметры орбиты: период 8,2 суток, апогей — около 333 570 км, перигей — 576 км.

В течение 7—8 дней аппарат находился вне магнитосферы Земли, что обеспечивало практически непрерывный мониторинг условий в межпланетной среде вблизи орбиты нашей планеты. Затем он быстро проходил через магнитосферу, позволяя измерять параметры в различных её областях.

Состав приборного комплекса «Плазма-Ф»

  • Плазменный прибор БМСВ (быстрый монитор солнечного ветра)
  • Магнитометр ММФФ (феррозондовый и индукционный магнитометры)
  • Детектор энергичных частиц МЭП-1
  • Система сбора, обработки и хранения данных ССНИ-2

Завершение проекта и научные результаты

30 мая 2019 г. миссия была официально завершена. 10 января 2019 г. связь со спутником «Спектр-Р» была потеряна, и специалистам НПО им. С.А. Лавочкина не удалось её восстановить. 30 мая 2019 г. государственная комиссия рассмотрела вопрос технического состояния спутника и приняла решение завершить наблюдательную программу «РадиоАстрона». Спутник успешно проработал 7,5 лет вместо запланированных 3-х. Связь с аппаратом прервалась из-за выхода из строя бортового приемо-передающего устройства ввиду накопления повреждений космическим излучением и высокоэнергичными частицами.

Спутник успешно проработал на орбите Земли более 7 лет (августа 2011 — январь 2019) и помог получить значительное количество ярких и интересных научных результатов.

Главной особенностью комплекса «Плазма-Ф» стало очень высокое для такого рода измерений плазмы временное разрешение. В частности, российско-чешский спектрометр солнечного ветра БМСВ проводил 32 измерения в секунду, что в 100 раз лучше, чем у аналогичных приборов, работавших на других космических аппаратах. Даже сейчас, по прошествии десяти лет, его не удалось достичь ни в одной из миссий, запущенных в последние годы. Поэтому плазменные данные, полученные в этом проекте, долгие годы будут оставаться уникальными и служить источником новых знаний по физике околоземной плазмы.

Высокое временное разрешение плазменного спектрометра БМСВ позволило, в частности, впервые провести систематические исследования параметров флуктуаций, ответственных за «перемешивание» солнечного ветра. В солнечном ветре формируется сложная иерархия структур различного масштаба (трубок, вихрей и пр), называемая турбулентностью. Ранее считалось, что турбулентность в солнечном ветре развивается свободно по мере его распространения от Солнца до Земли, однако результаты измерений БМСВ поставили под сомнения эту точку зрения. Оказалось, что границы между потоками плазмы различной природы могут иметь такое же критичное воздействие на свойства турбулентного потока, как и стенки установки для лабораторной плазмы, где подобные явления являются главным препятствием для создания управляемой термоядерной реакции. Аналогично земной плазме, в солнечном ветре это также приводит к нагреву и ускорению частиц плазмы. Эти исследования важны также для задачи предсказания космической погоды, так как дают дополнительную информацию о взаимодействии потоков солнечного ветра между собой по мере движения от Солнца.

За последние 10 лет в рамках этих исследований в ИКИ РАН был создан каталог данных прибора БМСВ и опубликовано более 30 научных работ, в том числе в ведущих мировых журналах.

Публикации

  1. Зеленый Л.М., Застенкер Г.Н., Петрукович А.А. и др. Эксперимент ПЛАЗМА-Ф на спутнике “Спектр-Р” // Космич. исслед. 2013. Т. 51. № 2. С. 83-87. (Cosmic Research. P. 73–79)
  2. Застенкер Г.Н., Шафранкова Я. , Немечек З., и др. Быстрые измерения параметров солнечного ветра с помощью прибора БМСВ // Космич. исслед. 2013. Т.51. № 2. С. 88-99. (Cosmic Research. P. 78–89)
  3. Safrankova J., Nemecek Z., Prech L., Zastenker G., et al. Fast solar wind monitor (BMSW): description and first results // Space Science Reviews. 2013. V. 175(1–4). P.165–182
  4. А.А. Петрукович, Х.В. Малова, В.Ю. Попов, Е.В.Маевский, В.В. Измоденов, О. Катушкина, А.В.Виноградов, Рязанцева М.О., Рахманова Л.С., Подладчикова Т.В., Застенкер Г.Н., Ермолаев Ю.И., Лодкина И.Г., Чесалин Л.С., Современный взгляд на солнечный ветер от микро- до макро-масштабов // УФН, 2020, т. 190(8) С. 859–870
  5. Rakhmanova L., Riazantseva M. and Zastenker G. (2021) Plasma and Magnetic Field Turbulence in the Earth’s Magnetosheath at Ion Scales // Front. Astron. Space Sci. 7:616635
  6. Riazantseva, M.O., Budaev, V.P., Zelenyi, L.M., Zastenker G.N., Pavlos G.P., Safrankova J., Nemecek Z., Prech L. and Nemec F., Dynamic properties of small scale solar wind plasma fluctuations Phil. Trans. R. Soc. A, 373 (2041), 20140146, 2015
  7. Rakhmanova L., Riazantseva M., Zastenker G., Yermolaev Yu. Dynamics of plasma turbulence at the Earth’s bow shock and through the magnetosheath. 2020. The Astrophysical Journal, 901:30

Головные организации и руководители

  • Государственная корпорация по космической деятельности «Роскосмос» (ГК «Роскосмос»)
  • АО «Научно-производственное объединение им. С.А. Лавочкина» (АО «НПО Лавочкина»)
  • Институт космических исследований Российской академии наук (ИКИ РАН)
  • Научный руководитель эксперимента: академик РАН Лев Матвеевич Зелёный

Коллаборация

  • Всероссийский научно-исследовательский институт метрологии имени Д.И. Менделеева (ВНИИМ им. Д.И. Менделеева)
  • Карлов университет (Charles University, Чехия)
  • Институт экспериментальной физики Академии наук Словакии (Institute of Experimental Physics of the Slovak Academy of Sciences)
  • Институт физики атмосферы Чешской академии наук (Institute of Atmospheric Physics of the Czech Academy of Sciences)
  • Центр космической науки и прикладных исследований Китайской академии наук (Center for Space Science & Applied Research, CSSAR)

Статус: завершил работу

Запуск: 18.07.2011, 06:31 мск, космодром Байконур, РН «Зенит-3М» / РБ «Фрегат-СБ»

Завершение работы: 30.05.2019

Головное космическое агентство: ГК «Роскосмос»

SCN: 37755

NSSDC ID: 2011-037A

Основной сайт: http://www.plasma-f.cosmos.ru/