КОСМИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ, 2007, том 45, № 5, с. 471-474
КРАТКИЕ СООБЩЕНИЯ
УДК 523.1
СПУТНИКОВЫЙ ЭКСПЕРИМЕНТ "АРИНА" ПО ИЗУЧЕНИЮ СЕЙСМИЧЕСКИХ ЭФФЕКТОВ В ПОТОКАХ ВЫСОКОЭНЕРГИЧНЫХ
ЧАСТИЦ В МАГНИТОСФЕРЕ ЗЕМЛИ
© 2007 г. А. В. Бакалдин, А. Г. Батищев, С. А. Воронов, А. М. Гальпер, Л. А. Гришанцева, С. В. Колдашов, П. Ю. Наумов, В. Ю. Чесноков, В. А. Шилов
Московский инженерно-физический институт (государственный университет)
Поступила в редакцию 20.09.2006 г.
PACS: 94.30.Ng, 94.30.Xy
В настоящее время как в России, так и за рубежом проводится подготовка и реализация специализированных проектов ("Вулкан", Demeter, QuakeSat и др.), направленных на детальное изучение сейсмических эффектов в околоземном космическом пространстве с целью оценки возможности их использования в разрабатываемых методах прогнозирования катастрофических явлений и, в том числе, землетрясений.
В рамках федеральной космической программы (проекты "Вулкан" и "Ресурс-ДК") в МИФИ подготовлен новый спутниковый эксперимент "АРИНА", предназначенный для мониторинга всплесков высокоэнергичных заряженных частиц -предвестников землетрясений. Впервые такие всплески частиц были обнаружены в 1985 г. в эксперименте "МАРИЯ", поставленном МИФИ на орбитальной станции Салют-7 [3]. В дальнейшем были выполнены обширные экспериментальные и теоретические исследования и определены физические процессы взаимосвязи между всплесками частиц и сейсмичностью Земли [4-7 и ссылки в них], основанные на взаимодействии высокоэнергичных частиц радиационного пояса с ультранизкочастотным электромагнитным излучением сейсмического происхождения, возникающим за несколько часов до землетрясения и распространяющимся вдоль силовых линий в магнитосферу. В результате этого взаимодействия происходит высыпание частиц, с последующим долготным распространением тех высыпавшихся частиц, зеркальные точки которых находятся на высотах между ~100 км и нижней границей радиационного пояса. В работах [5, 8, 9] было показано, что, измеряя характеристики всплеска частиц (место его регистрации, энергетические спектры и временные профили), можно определить географические координаты области, над которой произо-
шло высыпание частиц, то есть положение эпицентра землетрясения.
Ниже представлено описание эксперимента "АРИНА", направленного на изучение прогностических характеристик описанного выше явления.
Основные задачи эксперимента. Основные задачи эксперимента имеют исследовательский характер и связаны с регистрацией всплесков высокоэнергичных протонов и электронов в околоземном космическом пространстве, измерением их пространственных, временных и энергетических характеристик. Накопление статистики позволит определить эффективность (вероятность) появления всплесков частиц - предвестников землетрясений, изучить возможность идентификации сейсмических всплесков частиц и всплесков частиц, имеющих другую физическую природу (солнечно-магнитосферную, грозовую), выявить взаимосвязь между магнитудой землетрясений и характеристиками всплесков частиц. Также предполагается провести экспериментальную отработку предложенных в [8, 9] методов определения координат эпицентра предстоящего землетрясения по результатам измерений пространственных, временных и энергетических характеристик всплесков частиц.
Эксперимент "АРИНА" осуществляется на низкоорбитальном космическом аппарате Ре-сурс-ДК № 1, который был успешно выведен на расчетную орбиту 15.VI.2006 г. с параметрами орбиты: высотой в пределах 350-600 км и наклонением 70°. Основной ориентацией спутника является орбитальная. В этом случае ось спектрометра "АРИНА" перпендикулярна плоскости орбиты космического аппарата, и реализуются оптимальные условия для регистрации под радиационным поясом высыпающихся частиц.
Измерения потоков частиц проводятся непрерывно. Планируется, что продолжительность
N/t, с-1
Рис. 1
СПУТНИКОВЫМ ЭКСПЕРИМЕНТ "АРИНА" ПО ИЗУЧЕНИЮ СЕЙСМИЧЕСКИХ
473
Ж, с-9
8
7
6
5
4
3
2
1
0
&>
Ь > 8
4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20
День
Рис. 2. Точки на графике - средний темп счета за 10 с.
эксперимента, как и срок функционирования космического аппарата на орбите, будет составлять не менее 3-х лет.
Краткое описание научной аппаратуры. Специализированная аппаратура для регистрации всплесков высокоэнергичных электронов и протонов была разработана МИФИ. Его основой является многослойный сцинтилляционный детектор, в котором регистрируются остановившиеся в нем частицы - электроны с энергиями 3-30 МэВ и протоны с энергиями 30-100 МэВ. Электрон-протонное разделение осуществляется по энерговыделению в детекторной системе, энергия частиц определяется по их пробегу. Энергетическое разрешение спектрометра составляет 10-15%, угловое порядка 10°.
Спектрометр позволяет проводить измерения энергетических спектров частиц и их эволюцию, определять временные профили всплесков частиц с высоким временным разрешением, может работать в высокоинтенсивных потоках частиц. Светосила прибора составляет величину 10 см2 ср, что в несколько десятков раз выше, чем светосила аппаратуры, с помощью которой были получены основные результаты по наблюдению сейсмических эффектов в потоках частиц [7]. Спектрометр "АРИНА" описан в [10].
Ожидаемые результаты. Выше были перечислены основные задачи эксперимента "АРИНА". Для их решения, прежде всего, необходимо накопить достаточную статистику по всплескам частиц сейсмической природы, причем такую, чтобы для каждого всплеска были бы измерены интенсивно-
сти, энергетические спектры, временные профили и др.
В работе [11] с помощью численного моделирования траекторий ИСЗ в околоземном космическом пространстве были изучены условия регистрации всплесков высокоэнергичных заряженных частиц в экспериментах на низкоорбитальных космических аппаратах. В результате были рассчитаны скорости накопления данных по регистрации всплесков частиц сейсмической природы на разных орбитах с наклонением от экваториального до полярного и высотой от 400 до 1200 км. Было показано, что оптимальные орбиты, обеспечивающие наибольшие скорости накопления такой статистики, должны иметь наклонения близкие к экваториальному (менее 20°) и высоту в пределах 600-800 км. С этой точки зрения параметры орбиты КА Ресурс-ДК № 1 не являются оптимальными. Скорость накопления статистики по всплескам частиц на такой орбите в 10-20 раз меньше, чем на экваториальной. Тем не менее, величина скорости накопления статистики всплесков оказывается вполне приемлемой для решения поставленных в эксперименте "АРИНА" задач, поскольку при проведении непрерывных измерений будет регистрироваться 10-20 сейсмических всплесков частиц в год.
Экспериментальные данные. 29.VI.2006 г. в рамках летных испытаний КА начаты непрерывные измерения с помощью спектрометра "АРИНА". На рис. 1а показан в качестве примера темп счета триггерного сигнала (электроны 3-30 МэВ и протоны 30-100 МэВ) вдоль орбиты. Видны хорошо известные особенности, связанные с пересечени-
ем экваториальных и высокоширотных областей, внутренней и внешней зон радиационного пояса. Ниже на рис. 1 приведены примеры регистрации всплесков высокоэнергичных частиц (стрелка). В течение первых двух месяцев измерений было зарегистрировано 14 всплесков частиц, природа которых, как было показано [12-14], может оказаться различной: солнечно-магнитосферной, сейсмической, грозовой. Предстоит накопить статистику таких всплесков для их последующего анализа.
Наряду с основной задачей в эксперименте предполагается проводить изучение вариаций потоков электронов и протонов, приходящих из межпланетного пространства. На высокоширотных участках орбиты регистрируются такие частицы. Это галактические и солнечные космические лучи, а также частицы, ускоряемые ударными волнами в межпланетном пространстве и генерируемые магнитосферами планет (например, Юпитера). Рис. 2, где показан темп счета триггерного сигнала в течение июля 2006 г., иллюстрирует возможность таких исследований. В частности, 6 и 7. VII обнаружено возрастание темпа счета, связанное с солнечным событием.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Первые данные по эксперименту "АРИНА", полученные в период летных испытаний КА Ре-сурс-ДК № 1 (июль-август 2006 г.), продемонстрировали надежную работу спектрометра и показали перспективность его использования для различных космофизических задач.
Авторы выражают благодарность С.Ю. Алек-сандрину и А.Г. Майорову за обработку экспериментальных данных, В.Б. Зотову за помощь в сборке и настройке спектрометра.
Работа поддержана Федеральным космическим агентством.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Parrot M, Berthellier J J, Lebreton J.P. et al. Examples of unusual ionospheric observations made by the DEMETER satellite over seismic regions // Physics and Chemistry of the Earth. 2006. № 31. P. 486.
2. Flagg S, Bleier T, Dunson C. et al. Using nanosats as a proof of concept for space science missions: QuakeSat
as an operational example // Proc. 18th Annual USU Conf. on Small Satellites. Logan, Utah. 2004.
3. Voronov SA., Galper A M, Koldashov S.V. et al. Registration of sporadic increase of high energy particle flux near Brasilia magnetic anomaly region // Proc. 20th ICRC. 1987. V. 4. P. 451.
4. Galper A M, Koldashov S. V., Voronov SA. High Energy Particle Flux Variations as Earthquake predictors // Adv. Space Res. 1995. V. 15. P. 131.
5. Галъпер A.M., Колдашов СВ., Мурашов A.M. Численное моделирование физических процессов на атмосферной границе радиационного пояса // Кос-мич. исслед. 2000. Т. 38. № 1. С. 102.
6. Aleksandrin S.Yu, Galper AM., Koldashov S.V. et al. High-energy charged particle bursts in the near-Earth space as earthquake precursors // Annales Geophysicae. 2003. V. 21. P. 597.
7. Пустоветов В.П., Малышев А.Б. Пространственно-временная корреляция землетрясений и вариаций потока высокоэнергичных частиц во внутреннем радиационном поясе // Космич. исслед. 1993. Т. 31. № 5. С. 84.
8. Алешина М.Е., Воронов С.А., Галъпер A.M. и др. О взаимосвязи положений очагов землетрясений и областей высыпаний высокоэнергичных частиц под радиационным поясом // Космич. исслед. 1992. Т. 30. №
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.