Международная команда учёных готовится к тщательному изучению внутренней магнитосферы Земли — области, ограниченной приблизительно шестью радиусами нашей планеты, в которой магнитное поле имеет форму, близкую к дипольной. В этой области на высотах 1000—20 000 км находится плазмосфера — слой холодной плазмы высокой плотности, который вращается вместе с Землёй. Другой элемент внутренней магнитосферы — радиационные пояса, заполненные электронами и протонами очень высоких энергий. Они представляют главную угрозу безопасности околоземных спутников, поскольку способны вывести из строя их бортовую электронику. Во время геомагнитных возмущений, вызываемых солнечной активностью, внутренняя магнитосфера подвергается сильнейшему воздействию: резко возрастает интенсивность потоков частиц в радиационных поясах, меняются размеры плазмосферы, разрушается стационарная токовая система.
Параметры плазмы быстро изменяются как в пространстве, так и во времени, поэтому измерения необходимо производить одновременно в нескольких точках пространства с высоким временны`м разрешением. Это определило выбор многоспутниковой схемы исследований в международном проекте РЕЗОНАНС, в рамках которого планируется запуск сразу четырёх спутников.
Цель проекта РЕЗОНАНС — изучение взаимодействий между волнами и частицами в малых масштабах (порядка нескольких километров) и мониторинг крупномасштабных (тысячи километров) изменений в магнитосфере, связанных с геомагнитной активностью и магнитными бурями. Космические аппараты запустят парами с начальным расстоянием внутри пары 1—10 км, которое постепенно будет увеличиваться. Такая конфигурация «космического квартета» позволит исследовать мелкомасштабные процессы и локальные структуры в плазмосфере.
Одна из главных целей проекта — экспериментальная проверка механизма так называемого магнитосферного циклотронного мазера — особого режима взаимодействия волн и частиц. Теория этого механизма разработана сотрудниками Института прикладной физики РАН (Нижний Новгород). Важность понимания того, как действует магнито-сферный мазер, связана, в частности, с решением ряда практических задач: циклотронное взаимодействие контролирует населённость радиационных поясов, их динамику, а также их собственное электромагнитное излучение.
«Характерный пространственный масштаб этих взаимодействий грубо оценивается как немного больший, чем радиус вращения электрона интересующей нас энергии в магнитном поле. Эта величина как раз составляет порядка километра. То есть добавление второго спутника в каждой паре позволит изучать процесс не только во времени, но и в пространстве, что очень интересно, — говорит заведующий лабораторией ИКИ РАН Алексей Петрукович. — Затем спутники постепенно будут расходиться, и с учётом наличия второй пары (космических аппаратов) можно будет промерять структуру плазмы в данной магнитной трубке не в двух точках, а в четырёх, на разных расстояниях — от сотен до тысяч километров».
По словам заместителя научного руководителя проекта Михаила Могилевского (ИКИ РАН), измерения волновых процессов и частиц будут иметь рекордно малые временные разрешения — 10-6 с для первых и 10-3 с для вторых. Орбиты, по которым станут двигаться космические аппараты, выбраны таким образом, что спутники смогут длительное время находиться в окрестности одной и той же силовой линии магнитного поля. Подобные орбиты называются магнитосинхронными. Это важно, потому что во внутренней магнитосфере электроны и протоны замагничены, то есть они как бы «привязаны» к силовым линиям магнитного поля. Поэтому измерения на спутниках, движущихся по магнитосинхронным орбитам, позволят проследить развитие процессов, связанных с поведением этих частиц.
Помимо использования традиционных приборов для измерения электромагнитных полей и частиц плазмы для проекта разрабатывается специальная аппаратура. В частности, для высокоточных и скоростных измерений параметров плазмы необходимы приборы с большими апертурами, что довольно непросто сделать на небольшом спутнике. Другой особенностью проекта станет размещение на спутниках комплекса приборов, предназначенных для наблюдений электромагнитных полей в широком диапазоне частот.
Учёные планируют проведение как «пассивных» измерений параметров плазмы (то есть без внешнего вмешательства), так и «активных», с использованием наземных средств воздействия. В первую очередь это относится к так называемым нагревным стендам — мощным радиопередатчикам, нагруженным на антенны большой площади. «Излучение от нагревных стендов поднимается вверх, и в поле волны разгоняются электроны ионосферной плазмы — происходит нагрев ионосферы на 20–40%», — говорит Михаил Могилевский.
Запуск спутников планируется на 2014 год. В проекте принимают участие российские и иностранные учёные и специалисты: комплекс научной аппаратуры разрабатывается под руководством Института космических исследований РАН в нескольких российских организациях — Институте прикладной физики РАН, Институте земного магнетизма, ионосферы и распространения радиоволн РАН и др. Среди европейских парт-нёров — университет Оулу (Oulu University, Финляндия), Институт космических исследований Австрийской академии наук (SRI AAS), Институт физики атмосферы Академии наук Чешской Республики (Institute of Atmospheric Physics), Центр космических исследований Польши (CBK). Изготовление спутников и служебных систем поручено Научно-производственному объединению им. С. А. Лавочкина. Эксперименты с наземными установками будут проводиться совместно с США.
Детальное описание иллюстраций:
Схема рабочих орбит спутников РЕЗОНАНС. КА — космический аппарат, t11, t12, t21, t22 — время (очерёдность) входа пар спутников в область магнитной силовой трубки и выхода из неё. Под магнитной силовой трубкой в данном случае понимается некоторая окрестность силовой линии магнитного поля Земли, размер которой определяется характерным пространственным масштабом исследуемых физических явлений.
