ПЛАЗМА-Ф

ПЛАЗМА-Ф / PLASMA-F

Космический аппарат «Спектр-Р» и размещение инструментов эксперимента «Плазма-Ф» на нём. Рисунок НПО им. С.А. Лавочкина

Космический аппарат «Спектр-Р» и размещение инструментов эксперимента «Плазма-Ф». Рисунок НПО им. С.А. Лавочкина

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 1-16 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» 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 ~ 340 тыс. км;
перигей: 576 км.

В течение 7—8 дней аппарат находился вне магнитосферы Земли, что обеспечивало практически непрерывный мониторинг солнечного ветра. 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-2
Система сбора, обработки и хранения данных ССНИ-2

Завершение проекта

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, в том числе приборы комплекса «Плазма-Ф», успешно работали 7,5 лет (август 2011 — январь 2019) вместо запланированных 3, и, вероятно, проработали бы дольше. К сожалению, связь с аппаратом прервалась из-за выхода из строя бортового приемо-передающего устройства ввиду накопления повреждений космическим излучением и высокоэнергичными частицами.

Научные результаты проекта «РадиоАстрон» и эксперимента «Плазма-Ф» оказались исключительно интересными.

Научные результаты

Спектр турбулентных флуктуаций (зависимость мощности флуктуаций от частоты) потока ионов солнечного ветра по измерениям прибора БМСВ на спутнике «Спектр-Р». Из работы M.O. Riazantseva et al., 2015

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, эти характеристики остаются очень хорошими. Хотя в некоторых экспериментах удается достичь высокого временного разрешения, но такие измерения не проводятся системно, в отличие от эксперимента «Плазма-Ф». 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. В этой системе энергия передается от структур большего масштаба ко все меньшим и меньшим, пока не диссипирует (рассеивается) на кинетических масштабах, приводя к нагерву и ускорению частиц плазмы. 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. 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.

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)