ИНТЕРБОЛ | Space Research Institute

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 62.8^o, 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.

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, E_e = 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
Научный руководитель проекта: академик Альберт Абубакирович Галеев (ИКИ РАН)

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.