КОСМИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ, 2007, том 45, № 3, с. 211-225
УДК 523.64
СПЕКТРОФОТОМЕТРИЧЕСКАЯ ДИАГНОСТИКА ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК И ПРОВОДИМОСТИ
АВРОРАЛЬНОЙ ИОНОСФЕРЫ С ИСЗ. 1. МЕТОДИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ, ВОПРОСЫ ТОЧНОСТИ, ТРЕБОВАНИЯ К ХАРАКТЕРИСТИКАМ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЙ АППАРАТУРЫ © 2007 г. А. К. Кузьмин1, К. Н. Чиков2
alkkuzmin@mail.ru 1Институт космических исследований РАН, г. Москва 2Государственный университет информационных технологий, механики и оптики, г. Санкт-Петербург
Поступила в редакцию 15.12.2005 г.
Научиться контролировать в реальном времени условия в космическом пространстве вокруг Земли -одна из важнейших целей космических исследований в интересах предупреждения угроз сбоев наземных и космических технологических систем и обеспечения их стабильного режима работы. В рамках этих интересов продолжается развитие методики диагностики ионосферных энергетических и электродинамических характеристик на основе дистанционных спектрофотометрических измерений и анализа интенсивности свечения эмиссий верхней атмосферы, наблюдаемой сверху. Серийные панорамные монохроматические карты интенсивности свечения эмиссий верхней атмосферы, получаемые с орбиты, могут быть основным источником данных для такого анализа. В статье рассматриваются основные аспекты методики и на этой основе формулируются требования к инструментальному обеспечению.
РАС8: 92.60.hw
Знание мгновенного состояния энергетических характеристик и проводимости земной ионосферы служит важнейшим информационным звеном при анализе динамики явлений и исследовании природы взаимодействия ионосферы, термосферы и магнитосферы, и обеспечивает возможность краткосрочного прогнозирования прохождения радиосигналов в полярной ионосфере необходимого для решения ряда прикладных задач. Заинтересованность в оперативном владении этой информацией в значительной степени повлияла на то, что последние двадцать лет дистанционный спектрофотометрический метод диагностики характеристик атмосферы и ионосферы с орбиты спутника привлекал внимание исследователей геофизиков, радиофизиков, оптиков, специалистов по связи и др., а технология его использования все более совершенствовалась.
Причина в том, что этот метод позволяет получать за время экспозиции изображений (доли секунды) информацию о состоянии параметров ионосферной "космической погоды" в наблюдаемом пространственном поле, имеющем размеры от сотен до тысяч километров, а вдоль орбиты и в глобальном масштабе. В пространственном и временном масштабах в распределениях интенсивно-стей свечения эмиссий, излучаемых ионизованными и нейтральными составляющими верхней атмо-
сферы в широком диапазоне длин волн, как на экране, отображается ряд природных процессов. Эти процессы происходят над излучающим слоем и далеко за его пределами (например, переменная активность Солнца, связанная с ней переменная геомагнитная активность, магнитосферные суббури и др.) и под ним (тектонические процессы внутри Земли, мощные динамические процессы в нижележащей стратосфере и тропосфере). Кроме того, в локальном увеличении интенсивности свечения отдельных эмиссий верхней атмосферы могут отображаться процессы, имеющие "искусственное" происхождение (например, нагрев холодных ионосферных электронов на несколько электрон-Вольт в результате воздействия на ионосферу мощных источников радиоизлучения, расположенных на поверхности Земли или на орбите).
В данной работе речь пойдет об основных элементах методики диагностики энергетических характеристик полярной ионосферы с помощью спектрофотометрических авроральных изображений, полученных с орбиты спутника: потока энергии высыпающихся авроральных частиц и их средней энергии, а также электродинамических характеристик: электрических проводимостей ионосферы в двух направлениях, перпендикулярных магнитному полю, одно из которых параллельно поперечному элек-
211
2*
трическому полю, а другое перпендикулярно ему. Далее будут рассмотрены возможности построения конкретных вариантов имаджера нового типа для получения широкоугольных и панорамных монохроматических изображений с орбиты ИСЗ, элементы экспериментальной методики и информационной технологии, в рамках которых по времязави-симым томографическим данным, полученным из наблюдаемых изображений, можно строить серии локальных и глобальных карт распределений интенсивности конкретных эмиссий, энергетических и электродинамических характеристик и по ним восстанавливать их распределения.
1. ПРИРОДНАЯ ФУНКЦИОНАЛЬНАЯ СВЯЗЬ ХАРАКТЕРИСТИК АВРОРАЛЬНОГО
СВЕЧЕНИЯ С ЭНЕРГЕТИЧЕСКИМИ ХАРАКТЕРИСТИКАМИ ВЫСЫПАЮЩИХСЯ ЧАСТИЦ - БАЗОВАЯ ОСНОВА
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЙ МЕТОДИКИ
Благодаря развитию оптических и оптико-электронных технологий, в результате которого происходит возрастание спектрального разрешения спектрофотометрических изображающих приборов (имаджеров), и прогрессу в моделировании авроральных процессов и, в конечном счете, авроральных изображений, они (монохроматические изображения) стали привлекательным источником информации для количественной оценки энергетических характеристик потоков высыпающихся авроральных частиц и их влияния на нейтральную составляющую. Дело в том, что средняя энергия падающего аврорального потока электронов может определяться с помощью зависящего от высоты, механизма потерь, т.к. высота максимума потерь энергии есть функция энергии (с более низких высот соответствующая более высоким энергиям). Механизм потерь для эмиссий в видимой области спектра - это типично химический или столкновительный механизм, результаты действия которого становятся заметными на более низких высотах относительно высоты максимума интенсивности излучения 1тах. Методика основывается на прямой связи отношений интенсивностей конкретных выбранных эмиссий, излучаемых верхней атмосферой, с потоком энергии и характеристической энергией высыпающихся из магнитосферы ускоренных авроральных электронов и ионов, которые, растрачивая энергию при столкновениях на своем пути вдоль магнитного поля, также как и вторичные электроны, останавливаются на различных высотах, где возбуждают атмосферные и ионосферные составляющие пропорционально их относительному количеству на соответствующей высоте [1]. Суть методики в том, чтобы по отклику компонент верхней атмосферы и ионосферы на высыпания энергичных заряженных частиц из магнитосферы, т.е. по данным измерений распределений интенсивности эмиссий,
определять распределения энергетических характеристик высыпающихся электронов и ионов. Эта методика была отлажена в целом ряду ранних экспериментов на ИСЗ.
Рассмотрим несколько примеров. Красная кислородная эмиссия ^630 нм, излучаемая при распаде, живущего в течение сотни секунд метастабиль-ного состояния атома О(О), гасится (дезактивируется) на высотах ниже 180 км, где столкновений с молекулярным кислородом и молекулярным азотом заметно больше, чем на высоте максимума ее интенсивности 1тах (~250-300 км). Поэтому наблюдавшиеся интенсивности в столбе на этой длине волны будут уменьшаться с возрастанием энергии. Другой пример - ионизация и возбуждение молекул азота при ударах энергичных авроральных электронов, происходящие по реакции N2 + е —►
—«- N5+ (ШО) + 2е. Линии первой отрицательной системы, которые излучаются в этом процессе в течение примерно 70 нсек при переходе возбужденного иона молекулы азота в основное состояние, являются мгновенными индикаторами потока энергии высыпающихся электронов. В частности, фотометрические измерения итенсивности линии А427.8 нм (0.1) первой отрицательной системы молекулярного азота уже более трех десятилетий проводятся как с Земли, так и с исследовательских ракет и спутников в том числе с целью диагностики потока энергии заряженных частиц.
Из-за различий в пространственной морфологии полярных сияний, связанных с различиями в механизмах возбуждения конкретных компонент, а также из-за разных высот максимумов интенсивности излучения эмиссий и неоднородности коэффициента отражения (альбедо) участков земной и подстилающей поверхности отражение одних и тех же видимых авроральных форм в разных эмиссиях происходит по-разному. Монохроматические изображения авроральных форм, полученные сверху, искажаются за счет наложения отраженного и рассеянного излучения наблюдаемых в совокупности и одновременно с авроральным свечением. Итеративным путем (т.к. коэффициент отражения в большинстве случаях неизвестен) с помощью серии решений интегральных уравнений можно восстанавливать параметры распределений интенсивностей, близкие к истинным и по ним определять энергетические и электродинамические характеристики более точно, чем без использования коррекции на отражение. Методика коррекции широтных фотометрических профилей интенсивностей эмиссий на отражение и рассеяние, предложенная впервые во время анализа фотометрических профилей, полученных с ИСЗ ШШ-2 и АЕ-С [2, 3], была отлажена на примерах серии данных, полученных с ИСЗ Ореол-3 и ИК-Болгария-1300 в 1981-1982 гг. [4]. Точность определения энергетических характеристик после коррекции
на отражение повышается особенно на границах ярких авроральных форм. Пространственные координаты границ при этом уточняются на доли градуса по широте, а ошибка в величине характеристической энергии, рассчитанной по нескорректированным фотометрическим данным, вблизи границ может достигать 1-1.5 кэВ, и в величине потока энергии - 2-3 эрг/см2с.
В области вакуумного ультрафиолета (ВУФ) зависящий от высоты механизм потерь существует за счет континуума поглощения молекулярным кислородом, максимум которого находится вблизи длины волны ^142.5 нм. Плотность 02 увеличивается с уменьшением высоты, благодаря чему механизм потерь становится важным ниже 150 км. Впервые методика использования эмиссий верхней атмосферы как дистанционных средств диагностики энергетических характеристик была предложена в [1] и впоследствии развивалась как для видимых, так и для УФ-эмиссий и подробно обсуждалась в ряде работ, например [5-8]. С точки зрения этой методики принципиально важными в диапазоне ВУФ (125.0-200.0 нм) являются эмиссии атомарного кислорода и эмиссии Лаймана-Бер-джа-Хопфел
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.