Институт Космических Исследований Space Research Institute	Main Главная

Проект «Интербол» - международный научный проект, направленный на изучение солнечно-земных связей. Проект «Интербол» состоял из двух спутников: «Интербол-1» (Хвостовой Зонд) и «Интербол-2» (Авроральный Зонд) и двух субспутников. Головной научной организацией по данному проекту был Институт космических исследований РАН. Субспутники были созданы Институтом физики атмосферы Республики Чехия.

Орбита спутника «Интербол-1» имела апогей 200 000 км, перигей 500 км и наклонение 63^o. Такие параметры орбиты оптимальны для исследований солнечного ветра, хвоста магнитосферы Земли и пограничного слоя магнитосферы. Орбита спутника «Интербол-2» имела апогей 20 000 км и такое же наклонение, как и орбита спутника «Интербол-1», позволяя исследовать внутреннюю магнитосферу и авроральную зону.

Спутник «Интербол-1» был запущен 3 августа 1995г. и вошел в атмосферу в октябре 2000г., будучи в рабочем состоянии. Спутник «Интербол-2» был запущен 29 августа 1996г. и проработал на орбите 2.5 года. Субспутники отделились от спутников Интербол спустя короткое время после запуска и следовали за ними на расстоянии в несколько тысяч км.

Научная аппаратура, установленная на спутниках Интербол, создавалась в рамках обширной научной кооперации и включала магнитометры, приборы для измерения плазменных волн и спектрометры заряженных частиц. В создании аппаратуры принимали участие научные институты ряда европейских стран, Канады и Кубы. Проект «Интербол» стал частью Международной исследовательской программы по солнечно-земной физике и занял достойное место в уникальном «созвездии» спутников, работающих в это время на орбите: Wind, Polar, SOHO, Geotail и многих других, запущенных в период 1992 - 2000г.г. Наряду 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 (IACG), образованной четырьмя крупнейшими космическими агентствами.

В течение этих лет произошел значительный скачок в качестве и количестве наблюдательных данных, полученных благодаря усовершенствованию научной аппаратуры и непрерывным, одновременным спутниковым измерениям в наиболее важных в цепочке солнечно-земных взаимодействий областях, начиная от Солнца, и, далее, вплоть до ионосферы Земли. Научная информация, поступавшая со спутников Интербол, была доступна для научного сообщества через всемирную базу данных Космического Центра Годдарда (НАСА).

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 (№5, 1997г.; № 9, 1998г.; №3, 2002 г.); Космические Исследования (№ 1, 3, и 6, 1998г.; № 6, 1999г.; № 5, 2000г.; № 4, 2002г.) и сборники трудов конференций. Некоторые наиболее интересные результаты будут изложены ниже.

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

Динамика магнитосферы Земли

Исследование земной магнитосферы стало возможным только благодаря прямым «in situ» спутниковым измерениям. Форма магнитосферы контролируется обтекающим её потоком плазмы солнечного ветра. Однако, внутренняя динамика магнитосферы, включающая глобальную конвекцию и внезапные всплески активности, такие как магнитные суббури и бури, управляется межпланетным магнитным полем (ММП) посредством пересоединения силовых линий ММП и геомагнитного поля.

Структура магнитосферы постоянно меняется из-за внутренней динамики, а также из-за вариаций солнечного ветра и ММП. Поэтому на основе измерений, полученных лишь одним спутником, невозможно разделить пространственную и временнýю изменчивость. Только многоспутниковые проекты, такие как «Интербол» позволяют исследовать пространственную структуру космических объектов. Крупномасштабную структуру процессов можно исследовать на основе одновременных измерений, получаемых со спутников, орбиты которых пересекают различные области магнитосферы.

Многоспутниковые измерения также позволяют исследовать магнитные суббури – процессы взрывного высвобождения энергии, накапливаемой в геомагнитном хвосте в периоды ММП южного направления. На Земле магнитные суббури наблюдаются в виде авроральных свечений, и нерегулярных вариаций геомагнитного поля в полярной зоне. Согласно существующим моделям генерация и развитие магнитных суббурь происходят на разнообразных пространственно-временных масштабах, и их сценарий до сих пор является одним из самых спорных вопросов магнитосферной физики. В настоящее время активно обсуждаются три наиболее вероятных сценария развития суббури: модель, рассматривающая процесс разрушения токового слоя хвоста на расстояниях от Земли ~ 8 – 12 R_E (R_E – радиус Земли); модель ближней нейтральной линии, согласно которой инициатором суббури является импульсное магнитное пересоединение, происходящее в хвосте на расстояниях от Земли ~ 25 - 30 R_E; и модель магнитосферно-ионосферного взаимодействия, согласно которой магнитные суббури инициируются в ионосфере.

Большинство процессов в геомагнитном хвосте упорядочены вдоль магнитных силовых линий, вытянутых от Земли на огромные расстояния в антисолнечном направлении. Поэтому, наиболее выгодным расположением спутников для исследований хвоста является их выстраивание цепочкой, так чтобы спутники, находясь на различных радиальных расстояниях от Земли, были в то же время на близких магнитных силовых линиях. Спутниковые измерения, при этом, должны быть дополнены наземными измерениями, получаемыми со станции, находящейся вблизи проекции данной магнитной силовой линии на ионосферу. Такая комбинация спутниковых и наземных измерений дает возможность установить пространственно-временную последовательность событий и тем самым выяснить причинно-следственные связи в процессах магнитосферно-ионософерного взаимодействия.

Рис. 1. Положение и развитие магнитной суббури 28 ноября 1995г. по данным измерений потоков плазмы на спутниках «Интербол-1» и «Geotail», а также по данным наземных наблюдений аврорального брейкапа. Схематически изображена структура магнитосферного хвоста и показано положение начала суббури на основе использования нескольких моделей суббурь. Жирными серыми стрелками изображена картина глобальной медленной конвекции плазмы, которая имеет место в магнитосфере при южном направлении ММП. В левом верхнем углу показаны направления осей геоцентрической солнечно-магнитосферной системы координат (GSM): ось X направлена вдоль линии Земля-Солнце, ось Z направлена вертикально, перпендикулярно оси X и лежит в плоскости, содержащей ось магнитного диполя.

На рис.1. схематически показана реализация такого сценария измерений: спутники «Интербол-1» и «Geotail» находились вблизи полуночного меридиана, что позволило исследовать маленькую суббурю, зафиксированную в 11:27:30 UT наземной станцией Poker Flat на Аляске. При этом, спутник «Интербол-1», находясь в хвосте на расстоянии 11.5 R_E от Земли, наблюдал движущийся к Земле плазменный поток (инжекцию), а спутник «Geotail», находясь в хвосте на расстоянии 28.5 R_E от Земли, в то же время регистрировал плазменный поток, движущийся в хвост (плазмоид). Данные наблюдения могут быть объяснены движением ускоренной плазмы в противоположные стороны из области магнитного пересоединения, находящейся между спутниками Интербол-1 и Geotail. В простейшем одномерном приближении трассировка плазменных потоков назад во времени предсказывает положение зоны магнитного пересоединения в хвосте на расстоянии ~15.5 R_E, и минутой раньше (в 11:26:10 UT), чем момент фиксации наземной станцией аврорального брейкапа – взрывного начала суббури. Эти наблюдения согласуются с доминирующим в настоящее время сценарием развития суббури, согласно которому первые признаки зарождения магнитной суббури наблюдаются в хвосте, а не в ионосфере. Данные наблюдения так же согласуются со сценарием, предсказываемым моделью ближней нейтральной линии, однако свидетельствуют о более близком к Земле положении источника – магнитного пересоединения.

Конвекция плазмы

Несколько новых уникальных результатов проекта были получены благодаря оригинальной конструкции некоторых приборов. Одним таким примером является измерение глобальной конвекции плазмы (медленного среднего движения плазмы в магнитосфере), которая, как считается, контролируется преимущественно электрическим полем, возникающим в результате в результате пересоединения силовых линий ММП и геомагнитного поля. В периоды южного направления ММП, плазма и магнитный поток проникают в магнитосферный хвост через высокоширотные области, конвектируют в направлении экваториальной плоскости и затем, движутся к Земле и вокруг Земли, возвращаясь вновь на дневную сторону (направление движения конвекции при южном ММП показано на рис. 1 жирными серыми стрелками).

Конвективные потоки трудно измерить, так как скорость их движения мала по сравнению с локальными флуктуациями скорости и, чтобы получить статистически значимые величины, измерения должны быть усреднены по очень большому интервалу времени. Измерения потоковой компоненты вдоль оси вращения спутника наиболее сильно подвержены инструментальным ошибкам.

Согласующаяся с моделью картина горизонтальных (вдоль оси X на рис. 1) конвективных потоков в экваториальной плоскости геомагнитного хвоста была получена ранее спутниками ISEE 2 и AMPTE/IRM. Вертикальный (вдоль оси Z на рис. 1) компонент конвекции в хвосте оставался неизмеренным вплоть до поступления данных со спутника «Интербол-1». Причина состояла в том, что оси вращения предыдущих спутниковых миссий были вертикальными, в то время как ось вращения спутника «Интербол-1» была направлена вдоль линии Земля-Солнце. Весь массив измерений, производимых в хвосте спутником «Интербол-1», был разделен на четыре части согласно периодам южного/северного направления ММП и положению спутника над/под экваториальной плоскостью. Для интервалов южного направления ММП средняя вертикальная скорость движения плазмы была направлена к экваториальной плоскости и составляла ~ 7 ± 3 км/с. В периоды северного направления ММП вертикальное движение плазмы исчезало.

Ускорение плазмы

Ядро функции распределения заряженных частиц по скоростям определяется плазменной конвекцией. Однако, «хвост» функции распределения, образуемый частицами с энергиями, превышающими тепловые (1-10 кэВ для внешней магнитосферы), может формироваться за счет различных процессов ускорения, таких как, например, утечка энергичных частиц из внутренней магнитосферы, ускорение на головной ударной волне, бетатронное и неадиабатическое ускорение в хвосте. Последний механизм реализуется в токовом слое магнитосферного хвоста в основном для ионов, которые «размагничиваются» в областях со слабым магнитным полем и ускоряются электрическим полем, например, квазистационарным полем утро-вечер. Энергии, набираемые ионами при таком ускорении, не превышают величину перепада потенциала через хвост (≤ 100 кэВ).

Рис. 2. Слева: схематическое изображение резонансного неадиабатического ускорения ионов в токовом слое магнитосферного хвоста. Низкоэнергичные ионы, приходящие из мантии (показаны синими стрелками), ускоряются в нескольких пространственно-локализованных источниках (резонансах), расположенных в дальних областях токового слоя с земной стороны от дальней X-линии. После ускорения ионы инжектируются из токового слоя в Пограничный Плазменный Слой (ППС), где формируют пучки (показаны разноцветными стрелками). Чем дальше в хвосте расположены источники ускорения, тем выше энергия ионов (наиболее энергичный пучок изображен красной линией). Справа: пример наблюдения пучка ускоренных ионов в ППС хвоста. Сверху вниз показана функция распределения ионов по скоростям и энерго-временные спектрограммы ионов, движущихся к Земле и от Земли, измеренные спектрометром КОРАЛЛ на борту спутника «Интербол-1», и временной ход абсолютной величины магнитного поля.

Сотрудниками ИКИ была разработана теория резонансного взаимодействия неадиабатических ионов с токовым слоем хвоста, в результате которого ускоренные ионы инжектируются в пограничную область плазменного слоя, где образуют пучки, движущиеся с высокими скоростями вдоль силовых линий магнитного поля к Земле (рис. 2, левая часть). Измерения функций распределения ионов по скоростям в пограничном плазменном слое хвоста спутником «Интербол-1» позволили не только наблюдать данное явление (рис. 2, правая часть), но и впервые на большой статистике наблюдений доказать, что ускорение ионов в токовом слое хвоста происходит практически постоянно. Также статистически было установлено, что ионные пучки локализованы в пространстве и их поперечный размер (в направлении перпендикулярном локальному магнитному полю) составляет десятые доли земного радиуса.

Рис. 3. Слева: Спектр высокоэнергичных ионов, измеренный спутником «Интербол-1». На спектре хорошо видны три узких пика, образующих структуры AMI. Справа: наблюдение волнообразной энергетической дисперсии ионов на энерго-временной спектрограмме. Хорошо видны три инжекции. Положение пиков энергии ионов совпадает с локальными вариациями азимутальной компоненты магнитного поля (данные спутника «Интербол-2»).

С помощью спектрометров ДОК-2 были получены новые данные об энергетических спектрах энергичных частиц (20 – 800 кэВ) в магнитосфере. Измеряемый энергетический диапазон был разделен на 56 ступеней, что обеспечило беспрецедентно высокое энергетическое разрешение прибора. Благодаря этим измерениям были впервые обнаружены всплески практически моноэнергичных ускоренных ионов (так называемые AMI). В левой части рис.3. показан пример спектра AMI наблюдаемый перед фронтом головной ударной волны. Три пика соответствуют ионам H⁺, He⁺² и CNO^+(5-6), которые прошли через одну и ту же разность потенциалов ~100 кВ. В большинстве наблюдаемых случаев можно было выделить лишь один или два пика. Данный ионный состав был подтвержден измерениями, производимыми ионным масс-спектрометром EPIC спутника «Geotail». Почти все аналогичные события были зарегистрированы в периоды южного направления ММП.

Так как разность потенциалов в 100 кВ сравнима с максимальным падением потенциала поперек хвоста (в направлении утро-вечер), ускорение ионов, образующих AMI наиболее вероятно связано с крупномасштабной перестройкой магнитной конфигурации. В качестве механизма ускорения AMI было предложено ускорение всплесками электрического поля большой амплитуды, генерируемыми в результате разрушения токовых филаментов (нестационарного магнитного пересоединения). Данные процессы могут происходить в геомагнитном хвосте, на магнитопаузе и в солнечном ветре. В последнем случае всплески электрического поля могут генерироваться в результате столкновения разрывов ММП, которые, по сути, представляют собой токовые слои.

Другое новое и интересное явление было обнаружено спектрометром ДОК-2, установленным на борту спутника «Интербол-2», во внутренней магнитосфере (Рис. 3, правая часть). Ускоренные заряженные частицы, спорадически инжектированные во внутреннюю магнитосферу из хвоста во время суббурь, дрейфуют вокруг Земли. В простейшем случае время прибытия иона в точку наблюдения зависит от его энергии. Так как инжекции ионов более или менее локализованы во времени и в пространстве, и частицы с наиболее высокими энергиями приходят к наблюдателю первыми, на энерго-временных спектрограммах, измеренных спутником, наблюдаются характерные «хвосты» со спадающей энергией.

Инжекции ускоренных частиц происходят в магнитосфере практически повсеместно. Однако, в некоторых случаях наблюдались периодические вариации энергии инжектируемых ионов, так что уменьшение энергии на спектрограммах было немонотонным: высокоэнергичные частицы, которые уже прошли мимо спутника, возвращались вновь. Вариации энергии частиц сопровождались похожими вариациями магнитного поля и геомагнитными пульсациями, наблюдаемыми наземными станциями (правая часть рис. 3). Такая изменчивость потока инжектированных ионов может быть объяснена азимутальным движением магнитных силовых трубок, участвующих в пульсациях. В результате этого движения магнитные силовые трубки, на которых находились высокоэнергичные ионы, возвращались вновь к детектору. Данное явление может быть использовано для определения пространственных и временных масштабов геомагнитных пульсаций и в настоящее время исследуется теоретически и численно.

Магнитосферно-ионосферное взаимодействие

Взаимодействие между магнитосферой и ионосферой осуществляется вдоль силовых линий магнитного поля посредством продольных электрических токов, заряженных частиц, высыпающихся в ионосфере, а также потоков частиц, вытягиваемых из ионосферы. Магнитосферно-ионосферное взаимодействие является ключевым звеном в глобальной динамике магнитосферы: различные области магнитосферы часто более эффективно взаимодействуют между собой через ионосферу благодаря ее высокой электрической проводимости вдоль силовых линий магнитного поля. Тем самым создается механизм обратной связи практически во всех проявлениях магнитосферной активности, в частности, в магнитных суббурях.

Рис. 4. Слева: Схема нагрева ионосферы на высоте ~ 100 км высокочастотными радиоволнами, генерации восходящих потоков горячих частиц и электромагнитной эмиссии. Справа, сверху вниз: спектрограмма колебаний электрического поля; энерго-временная спектрограмма электронов и временной ход локальной компоненты магнитного поля в направлении утро-вечер (средняя величина магнитного поля вычтена) по данным измерений спутника «Интербол-2» над зоной нагрева (27 октября 1996г.). Цвета на спектрограммах показывают интенсивность в условных единицах (красный цвет соответствует максимальным значениям).

Наряду с пассивными измерениями, для исследования ионосферы широко используется так называемое просвечивание ионосферы. Для этих целей в России, странах Скандинавии и США было создано несколько мощных наземных устройств (нагревных стендов), способных излучать в ионосферу радиоволны мегаватной мощности. Энергии этого излучения может быть достаточно для модификации характеристик системы магнитосферно-ионосферного взаимодействия. Подобный уникальный эксперимент был осуществлен спутником «Интербол-2» и норвежским нагревным стендом EISCAT. Во время проведения эксперимента спутник «Интербол-2» находился вблизи полуночного меридиана на высоте ~ 8000 км, т.е. много выше ионосферы (рис. 4).

Сразу после включения наземного генератора радиоволн (в ~ 21:30 UT) спутник «Интербол-2» зарегистрировал вариации магнитного поля и всплески потока электронов с энергиями 0.1-6 кэВ в первоначально практически пустых магнитных силовых трубках. Одновременно наблюдалась конусообразная электромагнитная эмиссия, которой обычно сопровождается восходящий поток электронов (правая часть рис. 4). Данные наблюдения свидетельствуют о появлении продольного электрического тока, втекающего в ионосферу и связывающего область нагрева в ионосфере с некоторой областью в магнитосферном хвосте. Данный эксперимент позволил впервые непосредственно наблюдать искусственное индуцирование продольного электрического тока, аналогичного появляющегося во время магнитных суббурь. Сможет ли этот ток вызвать формирование замкнутой суббуревой токовой системы, зависит от общего состояния магнитосферы. В настоящее время разрабатывается специальная миссия «Резонанс», которая будет регулярно проводить подобные исследования.