09.12.2024. - Зонд Proba-3 поможет разгадать пять космических загадок

Зонд Proba-3 поможет разгадать пять космических загадок

Proba-3 Европейского космического агентства станет первой миссией, которая создаст искусственное полное солнечное затмение, запустив пару спутников на расстоянии 150 метров друг от друга. В течение шести часов он сможет наблюдать слабую атмосферу Солнца, корону, в труднодоступной для наблюдения области между краем Солнца и 1,4 миллионами километров от его поверхности. Эта новая технология в сочетании с уникальной протяженной орбитой пары спутников вокруг Земли позволит Proba-3 заниматься важными научными исследованиями, раскрывая секреты Солнца, космической погоды и радиационных поясов Земли.

Proba-3, сокращенно от "Project for On-Board Autonomy 3", является четвертым в серии демонстрационных полетов на орбите, в ходе которых тестируются новые технологии. Никогда ранее не было такой миллиметровой точности, с которой пара спутников будет позиционировать себя в космосе. Давайте познакомимся с пятью главными загадками космической науки, которые предстоит исследовать этой миссии.

1. Почему солнечная корона намного горячее, чем само солнце?

Все мы знаем, что солнце горячее, но до сих пор остается загадкой, как вещество во внешней атмосфере Солнца, солнечной короне, может нагреваться до температуры в миллион градусов. Видимая поверхность под солнцем, называемая фотосферой, имеет температуру всего 4500-6000 °C.

Фотосфера - это не реальная поверхность, а слой солнца, из которого может выходить видимый свет. Под ней свет, излучаемый атомами в горячих и плотных недрах солнца, почти сразу же поглощается другими атомами. Свет может задерживаться внутри Солнца на долгое время, прежде чем он сможет вырваться из фотосферы через менее плотный заряженный газ (плазму), находящийся выше.

При перемещении в корону, которая является менее плотной и находится дальше от ядра Солнца, можно ожидать более низких температур. Вместо этого становится примерно в двести раз жарче!

Proba-3 решит эту загадку, изучая солнечную корону ближе к поверхности Солнца, чем любой другой "коронограф" до этого. Блокируя прямой солнечный свет одним космическим аппаратом, другой космический аппарат сможет увидеть слабый видимый свет, исходящий от короны, находящейся всего в 70 000 км над поверхностью Солнца.

Коронограф является основным научным инструментом Proba-3. Он называется ASPIICS, что расшифровывается как Ассоциация космических аппаратов для поляриметрических и визуализационных исследований солнечной короны.

Единственное, за чем будут охотиться исследователи, - это за волнами, проходящими через петли и столбы плазмы в короне. Такое движение, вероятно, является причиной высоких температур в короне. Коронограф сможет фиксировать эти мелкомасштабные быстрые перемещения, создавая изображение внутренней короны с частотой всего в пару секунд.

Кроме того, коронограф может показать нам, какие участки солнечной короны горячее других, используя различные светофильтры. При съемке в белом свете прибор видит, где сосредоточена светящаяся плазма (любой температуры) и как она перемещается. Эти снимки можно сравнить с теми, что были сделаны через зеленый светофильтр, который избирательно улавливает свет, излучаемый особенно горячими частицами в короне.

2. Что ускоряет солнечный ветер?

Солнечный ветер - это непрерывный поток плазмы, излучаемый Солнцем, в основном состоящий из электронов, протонов и альфа-частиц. Когда солнечный ветер сталкивается с магнитным полем Земли, он может вызывать полярные сияния — северное и южное сияние.

Как и ветер на Земле, солнечный ветер может быть быстрым или медленным, плавным или порывистым. Он бывает двух основных типов, которые отличаются не только скоростью ветра, но и составом и регионом источника.

"Медленный" солнечный ветер, который все еще достигает Земли со скоростью до 500 км/с, или 1,8 миллиона км/ч, состоит из частиц, которые напоминают состав внешней атмосферы или короны Солнца. Хотя детали остаются неясными, известно, что этот тип солнечного ветра связан с активными областями солнечных пятен на Солнце, которые также вызывают солнечные вспышки и извержения.

Коронограф ASPIICS Proba-3 исследует, как скрученные и концентрированные линии магнитного поля, исходящие от солнечных пятен, взаимодействуют с магнитным полем, расположенным дальше. Хотя он не может обнаружить это поле напрямую, он увидит светящуюся плазму в короне, которая движется вдоль силовых линий магнитного поля, и возмущения в ней. Отслеживая "сгустки" медленного солнечного ветра, он может отследить, как и где происходит вытеснение ветра.

"Быстрый" солнечный ветер может развивать скорость более двух миллионов километров в час и состоит из смеси частиц, более похожей на смесь частиц с поверхности Солнца. Известно, что этот тип ветра возникает из магнитных структур, называемых корональными дырами, — областей, где магнитное поле Солнца не возвращается обратно к Солнцу. Плазма может течь наружу вдоль этих "открытых" силовых линий магнитного поля, создавая солнечный ветер.

Но остается открытым вопрос: как быстрый солнечный ветер достигает таких высоких скоростей? Чтобы разгадать эту загадку, Proba-3 будет искать струи и волны, в том числе "обратные магнитные колебания", которые, как считается, придают солнечному ветру магнитный импульс. Данные ASPIICS покажут, как плазма движется через корону от поверхности Солнца к удалению примерно на 1,4 миллиона километров.

3. Как солнце выбрасывает вещество в корональных выбросах массы?

Солнечный ветер - это один из видов космической погоды, но чего нам действительно нужно остерегаться, так это более крупных и мощных солнечных бурь. Корональные выбросы массы (КВМ) представляют собой огромные пузыри заряженных частиц (плазмы), пронизанные силовыми линиями магнитного поля. Космические выбросы часто, но не всегда, происходят одновременно со вспышками электромагнитного излучения, известными как вспышки на Солнце.

Когда на Землю обрушиваются космические выбросы, это может исказить защитное магнитное поле Земли и вызвать геомагнитную бурю. Эти штормы могут воздействовать на спутники, нарушать работу навигационных систем, вызывать перебои в подаче электроэнергии и вызывать полярные сияния в более низких широтах.

Быстро движущиеся частицы солнечной энергии также могут создавать ударные волны, которые разгоняют протоны или другие частицы вокруг Солнца до чрезвычайно высоких скоростей. Эти "частицы солнечной энергии" могут повредить космический корабль и представлять опасность для астронавтов за пределами защитной атмосферы Земли.

Имея возможность наблюдать за тем, что происходит в солнечной короне в непосредственной близости от поверхности Солнца, Proba-3 покажет, что происходит, приводя к CME, как они извергаются, как они расширяются наружу и как они взаимодействуют с другими структурами и активностью вокруг Солнца. Он будет видеть эту часть солнечной атмосферы в течение нескольких часов и лучше, чем любой коронограф до него.

4. Как ведут себя электроны, захваченные радиационными поясами Земли?

В космическом пространстве вокруг Земли постоянно проносятся частицы, которые либо прилетают от Солнца, либо попадают к нам из других частей Солнечной системы, либо достигают нас из межзвездного пространства. К счастью, мы защищены от них защитной атмосферой Земли и магнитным полем, но это же поле удерживает заряженные частицы в кольцах вокруг Земли, известных как радиационные пояса Ван Аллена.

Эти быстро движущиеся частицы с высокой энергией представляют опасность для устройств в космосе. Они могут нарушить бортовые измерения и память или даже привести к необратимым повреждениям, а также представлять потенциальную опасность для астронавтов.

Благодаря вытянутой эллиптической орбите Proba-3 проходит над поверхностью Земли расстояние от 600 км до 60 530 км. Это означает, что за каждые 19,7 часов обращения он дважды проходит через внутренний и внешний радиационные пояса, окружающие нашу планету. Существуют и другие миссии на околоземной орбите, которые пересекают оба пояса, но "Проба-3" уникальна тем, что пересекает необычно большую их часть.

С помощью своего прибора 3D Energy Electron Spectrometer (3DEES) Proba-3 измерит количество, направление происхождения и энергию электронов в радиационных поясах Земли. Впервые энергия и потоки высокоэнергетических электронов будут измеряться одновременно в шести различных направлениях, охватывающих поле зрения на 180°.

3DEES покажет поведение радиационных поясов Земли в нормальных условиях, а также покажет, как на них влияет космическая погода, включая ранее упомянутый солнечный ветер и корональные выбросы массы.

5. Насколько сильно меняется выработка солнечной энергии с течением времени?

Солнце светит каждый день, но в некоторые дни оно светит сильнее, чем в другие. В течение года, в зависимости от расстояния Земли до Солнца, общая интенсивность солнечного излучения, достигающая Земли, может изменяться на целых 6%. Но интенсивность солнечного излучения также меняется в зависимости от того, насколько оно активно, причем изменения составляют около 0,1% в течение примерно 11-летнего солнечного цикла.

До сих пор ведутся научные споры о том, насколько сильно изменилась выработка солнечной энергии за более длительные периоды времени (100-1000 лет). Хотя недавнее изменение климата, безусловно, вызвано деятельностью человека, не исключено, что солнце сыграло свою роль в прошлых климатических изменениях, таких как похолодание во время Малого ледникового периода (около 1300-1850 гг.). Может ли солнце быть более изменчивым, чем показывают последние данные?

Солнце вырабатывает более 99,9% энергии, доступной на поверхности Земли, и даже небольшие изменения могут оказать существенное влияние на процессы, формирующие климат Земли. Знание общей солнечной радиации важно для точного моделирования климата.

Чтобы улучшить и расширить наш мониторинг Солнца, космический аппарат Proba-3 "Occulter" будет непрерывно измерять выход солнечной энергии с помощью своего цифрового абсолютного радиометра (DARA). DARA спроектирован таким образом, чтобы свести к минимуму попадание нежелательного рассеянного света, он может сам выполнять калибровку и должен иметь возможность проводить измерения чаще благодаря более быстрой системе управления.

Другой DARA — точно такой же прибор — уже летает в космосе на китайском метеорологическом спутнике FY-3E, запущенном в 2021 году и пролетающем на высоте около 800 км над поверхностью Земли.

Основным отличием DARA от предыдущих радиометров Proba-3 будет его очень вытянутая орбита, на которой он будет находиться на высоте 60 530 км над поверхностью Земли. Большее расстояние от Земли означает, что космическая среда прибора более чистая, с меньшим количеством рассеянного света. Это позволит Proba-3 измерять колебания интенсивности солнечного излучения с высокой точностью.

Источник