Создание комплекса малогабаритной аппаратуры для диагностики космической плазмы и мониторинга корпускулярного излучения Солнца

КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Номер проекта 17-72-20134

НазваниеСоздание комплекса малогабаритной аппаратуры для диагностики космической плазмы и мониторинга корпускулярного излучения Солнца

Руководитель Зимовец Иван Викторович, Кандидат физико-математических наук

Организация финансирования, регион Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт космических исследований Российской академии наук , г Москва

Конкурс №24 - Конкурс 2017 года по мероприятию «Проведение исследований научными группами под руководством молодых ученых» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными

Область знания, основной код классификатора 02 - Физика и науки о космосе; 02-703 - Солнце и Солнечная система

Ключевые слова Космическое приборостроение, солнечно-земные связи, космическая погода, мониторинг, прогнозирование, солнечные вспышки, космические лучи, солнечный ветер

Код ГРНТИ89.15.17

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Так же, как погодно-климатические условия влияют на освоение территорий Земли и использование земных ресурсов, космическая погода оказывает существенное влияние (чаще, негативное) на освоение и использование космического и воздушного пространства (Baker et al., 2008; Петрукович и др., 2008; Кузнецов, 2014). Основную роль в космической погоде в гелиосфере играет наша ближайшая звезда - Солнце. Его активность имеет ярко выраженный переменный характер с периодом около 11 лет. В минимумах активности Солнце пребывает в относительно спокойном состоянии. Однако, в период повышения активности на Солнце происходят катастрофические (экстремальные) события, такие как вспышки, эрупции протуберанцев, корональные выбросы массы (КВМ), приводящие к серьезным возмущениям межпланетного и околопланетного (в частности, околоземного) космического пространства (магнитным бурям), а также внешних оболочек планет (ионосферы, атмосферы), существенному увеличению уровня естественной радиации вследствие прихода солнечных энергичных частиц (солнечных космических лучей – СКЛ). По мере развития технологий и техники, влияние космической погоды становится более ощутимым для человечества. Эффекты солнечной активности сказываются, в частности, на трубопроводах и линиях электропередач, радиосвязи (особенно на высоких геоширотах, в Арктике и Антарктике), электронной аппаратуре самолетов, спутников и космических аппаратов, на климате, здоровье и самочувствии людей, иных биологических объектах (Петрукович и др., 2008). По оценкам (Baker et al., 2008), в настоящее время экстремальные солнечные события могут приводить к значительным экономическим потерям. В частности, ущерб за счет прерывания работы или вывода из строя космических аппаратов может составлять сотни миллионов долларов, потери за счет выхода из строя линий электропередач могут достигать нескольких миллиардов долларов. В будущем, в связи с развитием техники, разовые потери могут достигать триллионов долларов и негативно сказываться на миллионах людей в различных регионах, особенно в развитых странах, таких как Россия. Дальнейшее освоение и использование космического пространства будет связано с увеличением количества спутников, космических аппаратов и станций, использованием более сложных электрорадиоизделий и электронной аппаратуры, применением роботов и искусственного интеллекта, созданием баз на Луне и ближайших планетах (в частности, на Марсе), развитием космического туризма. Очевидно, что проблема мониторинга и прогнозирования космической погоды будет становиться всё более важной и актуальной (Schwenn, 2006; Кузнецов, 2014; Schrijver et al., 2015). Это требует создания новой научно-измерительной аппаратуры для слежения за активностью Солнца, для диагностики параметров испускаемого им солнечного ветра, магнитного поля и солнечных энергичных частиц в околоземном и межпланетном космическом пространстве. Наш проект нацелен на создание прототипа комплекса малогабаритной научно-измерительной аппаратуры для диагностики корпускулярного излучения Солнца и космической среды, необходимого для мониторинга и прогнозирования эффектов космической погоды. В этот комплекс будет входить минимальный (базовый) набор приборов для диагностики солнечного корпускулярного излучения: (1) детектор ионов солнечного ветра (0.5-10 кэВ); (2) детектор электронов солнечного ветра (30 эВ – 10 кэВ); (3) телескоп солнечных энергичных частиц (электроны с энергиями ~0.1-10 МэВ, ионы ~1-100 МэВ/нуклон). Мы планируем уделить особое внимание оптимизации приборов в плане массо-габаритных характеристик, чувствительности, надежности, универсальности, возможности быстрой модификации. Мы рассчитываем на то, что данный комплекс аппаратуры в дальнейшем может стать базовым набором для комплексов мониторинга солнечного корпускулярного излучения, разрабатываемого в России. В последние десятилетия Россия утратила ведущие позиции в данной области, поскольку, практически, не осуществляла запуски аппаратов за пределы магнитосферы Земли. На сегодняшний день нет российских космических обсерваторий, выполняющих мониторинг солнечного электромагнитного и корпускулярного излучения, специально предназначенных для изучения и прогнозирования космической погоды (с натяжкой можно отметить только эксперимент Плазма-Ф проекта Радиоастрон). Но ситуация должна постепенно меняться. Разработка предлагаемого комплекса аппаратуры должна частично заполнить эту нишу космического приборостроения, заложить основу для выпуска научно-технической продукции, которая в дальнейшем могла бы составить конкуренцию аналогам на отечественном и международном рынках. При небольшой модификации аппаратуру также можно будет использовать и на космических аппаратах с орбитами внутри магнитосферы (для диагностики плазмы и энергичных частиц), с межпланетными орбитами, на инопланетных базах (на Луне, Марсе и др.). Параллельно с разработкой научно-измерительной аппаратуры по диагностике корпускулярного излучения Солнца мы планируем вести исследовательскую работу в области прогнозирования эффектов космической погоды в околоземном космическом пространстве по следующим направлениям: (а) прогнозирование СКЛ в околоземной и межпланетной космической среде посредством анализа рентгеновского, ультрафиолетового (УФ) и радиоизлучения родительских солнечных вспышек; (б) сверхкраткосрочное (десятки минут) прогнозирование прихода солнечных энергичных протонов по приходу солнечных релятивистских электронов; (в) прогнозирование солнечных вспышек и КВМ посредством анализа характеристик фотосферного магнитного поля и электрических токов; (г) прогнозирование солнечных вспышек и КВМ посредством объединения экстраполяции фотосферного магнитного поля в корону с методами корональной гелиосейсмологии. Виды прогнозирования (а, в) являются традиционными, их необходимо продолжать развивать для увеличения точности и надежности; виды (б, г) являются относительно новыми и довольно слабо развитыми, требующими дальнейшего изучения и усовершенствования. Объединение различных методов в общую систему является важной и актуальной задачей, решение которой может существенно улучшить качество прогноза космической погоды. Мы уверены в том, что разработка научно-измерительной аппаратуры и развитие различных методов ее дальнейшего использования для прогнозирования корпускулярного излучения Солнца на базе молодежного коллектива исследователей является перспективной и полезной для дальнейшего понимания космической погоды, для развития этого важного направления исследований в России, для того, чтобы Россия снова стала конкурентно-способной и независимой в этой области от остальных стран.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. Шарыкин И.Н., Зимовец И.В., Мышьяков И.И., Мешалкина Н.С. Flare Energy Release at the Magnetic Field Polarity Inversion Line during the M1.2 Solar Flare of 2015 March 15. I. Onset of Plasma Heating and Electron Acceleration The Astrophysical Journal, 864: 156 (18pp) (год публикации - 2018)
10.3847/1538-4357/aada15

2. Моисеенко Д.А., Вайсберг О.Л., Шестаков А.Ю., Журавлев Р.Н., Шувалов С.Д., Митюрин М.В., Моисеев П.П., Нечушкин И.И., Родькин Е.И., Васильев А.Д., Летуновский В.В. Аппаратно-программный комплекс для настроек и калибровок ионных масс-спектрометров для космических миссий Instruments and Experimental Techniques, номер 3, страницы 52-62 (год публикации - 2019)
10.1134/S0032816219020265

3. Низамов Б.А., Зимовец И.В., Головин Д.В., Санин А.Б., Литвак М.Л., Третьяков В.И., Митрофанов И.Г., Козырев А.С. New estimation of non-thermal electron energetics in the giant solar flare on 28 October 2003 based on Mars Odyssey observations Journal of Atmospheric and Solar-Terrestrial Physics, Volume 179, p. 484-493 (год публикации - 2018)
10.1016/j.jastp.2018.08.004

4. Зелёный М., Стадничук Е., Нозик А., Зимовец И., Кудинов А., Резников И. Проектирование детектора протонов и электронов для мониторинга солнечных космических лучей Bulletin of the Lebedev Physics Institute, № 1, стр. 3-7 (год публикации - 2019)

5. Шувалов С.Д., Шестаков А. Ю., Носов А.В., Митюрин М.В., Моисеенко Д.А., Журавлёв Р.Н. Electron Compact Spectrometer ECOS for CubeSat Satellites INSTRUMENTS AND EXPERIMENTAL TECHNIQUES (Приборы и техника эксперимента), 63, 238–242 (год публикации - 2020)
10.1134/S0020441220030045

6. Зимовец И.В., Нечаева А.Б., Шарыкин И.Н., Ган В.К. Распределение плотности фотосферных вертикальных электрических токов во вспышечно-активных областях Солнца Астрофизика (Astrophysics) (год публикации - 2020)

7. Шестаков А.Ю., Моисеенко Д.А., Шувалов С.Д., Вайсберг О.Л., Журавлев Р.Н. A Prototype of a Miniature Solar Wind Analyzer for Small Spacecrafts INSTRUMENTS AND EXPERIMENTAL TECHNIQUES (Приборы и техника эксперимента ), 62, 855–858 (год публикации - 2019)
10.1134/S0020441219060125

8. Зимовец И.В., Шарыкин И.Н., Ган В.К. Relationships between Photospheric Vertical Electric Currents and Hard X-Ray Sources in Solar Flares: Statistical Study The Astrophysical Journal, V. 891, N. 2, id. 138 (год публикации - 2020)
10.3847/1538-4357/ab75be

9. Шарыкин И.Н., Зимовец И.В., Мышьяков И.И. Flare Energy Release at the Magnetic Field Polarity Inversion Line During M1.2 Solar Flare of 2015 March 15. II. Investigation of Photospheric Electric Current and Magnetic Field Variations Using HMI 135-second Vector Magnetograms The Astrophysical Journal, Volume 893, Issue 2, id.159, 25 pp. (год публикации - 2020)
10.3847/1538-4357/ab84ef

10. Стадничук Е., Абрамова Т., Зеленый М., Известный А., Нозик А., Пальмин В., Зимовец И. Prototype of a segmented scintillator detector for particle flux measurements on spacecraft Journal of Instrumentation, Volume 15, Issue 09, pp. T09006 (год публикации - 2020)
10.1088/1748-0221/15/09/T09006

11. Шарыкин И.Н., Зимовец И.В., Мышьяков И.И., Мешалкина Н.С. Flare Energy Release in the Magnetic Field Polarity Inversion Line During M1.2 Solar Flare of March 15, 2015. Paper I. Onset of Plasma Heating and Electrons Acceleration The Astrophysical Journal (год публикации - 2018)

12. Шестаков А.Ю., Моисеенко Д.А., Вайсберг О.Л., Журавлев Р.Н., Шувалов С.Д., Зимовец И.В. Modeling a miniature solar wind ion analyzer for future space missions Advances in Space Research (год публикации - 2018)

13. Низамов Б.А., Зимовец И.В., Головин Д.В., Санин А.Б., Литвак М.Л., Третьяков В.И., Митрофанов И.Г., Козырев А.С. New estimation of non-thermal electrons energetics in the giant solar flare on 28 October 2003 based on Mars Odyssey observations Journal of Atmospheric and Solar-Terrestrial Physics (год публикации - 2018)

Публикации