ИЗУЧЕНИЕ НОВЫХ ФИЗИЧЕСКИХ ЯВЛЕНИЙ В АТМОСФЕРНЫХ ГРОЗОВЫХ РАЗРЯДАХ

ИЗУЧЕНИЕ НОВЫХ ИЗУЧЕНИЕ НОВЫХ ФИЗИЧЕСКИХ ЯВЛЕНИЙ В ФИЗИЧЕСКИХ ЯВЛЕНИЙ В

АТМОСФЕРНЫХ АТМОСФЕРНЫХ ГРОЗОВЫХ РАЗРЯДАХГРОЗОВЫХ РАЗРЯДАХ

В.Н. Ангаров, С.И. Климов, В.Г. Родин, Л.М. ЗелёныйВ.Н. Ангаров, С.И. Климов, В.Г. Родин, Л.М. ЗелёныйИнститут космических исследований РАНИнститут космических исследований РАН

Чибис

Конференция «ФИЗИКА ПЛАЗМЫ В СОЛНЕЧНОЙ СИСТЕМЕ» 17-20 ФЕВРАЛЯ 2009, ИКИ РАН


Чибис

ВведениеВведение


Чибис



• COMPTON (BATSE) – первые наблюдения гамма-всплесков, идущих от Земли

• FORTE – узкополосные импульсы (NBP) радиоизлучения (26 – 48 MГц) + оптика

• RHESSI - гамма-всплески идущие от Земли (TGF)

Спутниковые наблюдения


Чибис

Ливень убегающих электронов

Молниевый разряд

гамма

Схема формирования убегающих электронов и гамма излучения от молниевого разряда.



В ходе исследований по гранту РФФИ «Новые физические механизмы

электрических разрядов в атмосфере» [PI – А.В.Гуревич, Л.М.Зелёный Co-I – С.И.Климов],

разработана теория ступенчатого лидера в сильных электрических полях [1].

В отличие от обычной теории, в ней одновременно учитываются три основных

процесса: обычный пробой, явление убегания электронов и

пробой на убегающих электронах.

РФФИ 06-02-08076

[1] A.V. Gurevich, K.P. Zybin, Yu.V. Medvedev, Runaway breakdown in strong electric field as a source of terrestrial gamma flashes and gamma

bursts in lightning leader steps, Phys. Lett. A 361, 119–125, 2007


Чибис

Показано, что в результате обычного пробоя в сильном электрическом поле происходит убегание

рождающихся высокоэнергичных электронов. Часть этих электронов, энергия которых превышает

критическое значение, являются затравкой для пробоя на быстрых электронах, в результате которого

нарастает лавина электронов релятивистских энергий. Релятивистские электроны эффективно излучают

тормозные гамма кванты.

Проведено сравнение предложенной модели с данными наблюдений спутника RHESSI идущих со

стороны Земли гамма всплесков. Показано, что предложенная модель позволяет

объяснить эти наблюдения.

РФФИ 06-02-08076


Чибис

На основе проделанных расчетов сформулированы требования к экспериментальному изучению высотных

разрядов. Основным требованием является одновременное

измерение радио и гамма излучений в суб-микросекундном временном диапазоне.

Измерение ультрафиолетового и оптического излучений должно служить цели подтверждения факта, что

наблюдались атмосферные грозовые разряды.

Проведена разработка экспериментального подхода к исследованию высотного разряда с использованием

специализированной космической платформы нового поколения и созданию бортовой специальной аппаратуры

для изучения атмосферных разрядов.

РФФИ 06-02-08076


Чибис

Мы ориентируемся на изучение процессов, происходящих на высотах до 20 км, с помощью

микроспутника, находящегося на высоте 500 км,

и наземных обсерваториях.

[2] Klimov, S.I., V.G.Rodin, L.M.Zelenyi, V.N.Angarov. Development of the Method of the Creation of Micro-Satellite (~ 50 kg) Platforms for the

Fundamental and Applied Research of the Earth and Near-Earth Outer Space. R Sandau, H-P. Roeser, A. Valenzuela (Eds.) Small Satellites for Earth Observation. Springer Science+Busines Media B.V. p. 333-343,

2008.

РФФИ 06-02-08076


Чибис



Чибис

РФФИ 06-02-08076

Основные параметры научной Основные параметры научной аппаратуры (НА)аппаратуры (НА)

микроспутника «Чибис-М»микроспутника «Чибис-М»


Чибис


Чибис

- Рентген-гамма детектор – РГД (RGD) НИИЯФ МГУ- диапазон рентгеновского и гамма- излучения - 50-500 кэВ- масса ~ 2 кг-потребление ~ 5 Вт -Детектор ультрафиолета – ДУФ (DUF) НИИЯФ МГУ-- спектра оптического излучения 180-400 и 650-800 нанометров-- масса – 0.7 кг-- потребление – 0,5 Вт -Цифровая камера – ЦФК (DPC) ИКИ РАН-- информативность (матрица 500х500, разрешение ~ 250 м) -- масса – 1.5 кг-- потребление – 8 Вт

-Радиочастотный анализатор – РЧА (RFA) ИКИ РАН-- диапазон частот – 28 – 50 МГц-- масса РЧА – 3.55 кг -- потребление – 6 Вт -Магнитно-волновой комплекс – МВК (MWC)Украина-- диапазон частот – 0 – 20 лГц Венгрия-- масса МВК – 2.35 кг -- потребление – 4 Вт

Основные параметры НА «Чибис-М»Основные параметры НА «Чибис-М»


Чибис


БКУ

БНД-ЧПРД2,2

РЧА

РГД

ДУФ

ЦФК

ПСА

КВЗ1 КВЗ2

ИМ

БЭ ФМ

АФУ2,2

АФУ РЧА

ДФМ

Комплекс «Гроза»МВК

IKI IKI

IKI

IKI

IKI IKI

IKISINP

SINP

Hungary Ukraine

Ukraine Ukraine

Ukraine Ukraine

Блок-схема НАКонференция «ФИЗИКА ПЛАЗМЫ В СОЛНЕЧНОЙ СИСТЕМЕ» 17-20 ФЕВРАЛЯ 2009, ИКИ РАН

Чибис


«универсальная» блок-схема приборов НА

БНД-Ч

БКУ

WWWWWWWWWWWWWWWWW

WWWWWWWWWWWWWWWWWWWWWWWWWWWWWWWWWW


Чибис


Кольцевая память (КП) у каждого прибора имеет Кольцевая память (КП) у каждого прибора имеет фиксированный размер на несколько событий. фиксированный размер на несколько событий. Общий размер памяти прибора определяется Общий размер памяти прибора определяется максимальной длительностью события этого максимальной длительностью события этого прибора, который задают постановщики прибора, который задают постановщики эксперимента. Длительность события может эксперимента. Длительность события может регулироваться по командам. Пример: РЧА-1 с, регулироваться по командам. Пример: РЧА-1 с, РГД-20 мс, ДУФ-100 мс. РГД-20 мс, ДУФ-100 мс.

Командами от БКУ через БНД-Ч, кроме длительность Командами от БКУ через БНД-Ч, кроме длительность события, могут задаваться и другие параметры события, могут задаваться и другие параметры оцифровки события: период оцифровки оцифровки события: период оцифровки (дискретизация по времени), критерий «событие (дискретизация по времени), критерий «событие произошло» (СП, триггер), объём информации «до» произошло» (СП, триггер), объём информации «до» и «после» события.и «после» события.


Чибис


События (грозовой разряд) происходят случайным События (грозовой разряд) происходят случайным образом, поэтому при записи в КП делается образом, поэтому при записи в КП делается

привязка к бортовому времени, оформление массива привязка к бортовому времени, оформление массива события (заголовок, нумерация и т.д.). В КП события (заголовок, нумерация и т.д.). В КП пишется только событие соответствующее пишется только событие соответствующее критерию «событие произошло» (СП). При критерию «событие произошло» (СП). При

отсутствии события в КП пишется следующий цикл отсутствии события в КП пишется следующий цикл возможного события.возможного события.

Каждый прибор автономно производит запись события Каждый прибор автономно производит запись события в КП со своим временным разрешением. Количество в КП со своим временным разрешением. Количество

событий регистрируемых за один сеанс работы событий регистрируемых за один сеанс работы прибора ограничен примерно несколькими прибора ограничен примерно несколькими

гигабайтами. Для выбранных значений гигабайтами. Для выбранных значений производительности (РЧА) это будет около 10 производительности (РЧА) это будет около 10

событий. событий. Дополнительно увеличивать объемы памяти лишено Дополнительно увеличивать объемы памяти лишено

смысла, т.к. имеются ограничения по передаче смысла, т.к. имеются ограничения по передаче телеметрической информации (1 Мбит/с) на Землютелеметрической информации (1 Мбит/с) на Землю


Чибис



Чибис


2 МБ

Формирование Тк по совпадению стробов от РЧА и

РГД. Стробы совпали, оба события записаны

РГД

РЧА

БНД

ДУФ

Тк

0,2 МБ

Строб по триггеруРЧА

Время до Тк (-Т)Время после Тк

(+Т)

Следующее возможное совпадение стробов.

Стробы совпали, крайняя позиция

Совпадения стробов нет

Тк ТКТК

Следующие циклы фиксации событий, пока не заполнится

буферная память

~ 95 с

Строб по триггеруРГД

5 КБ

Тп

Тп

ЦФК 1 МБ

Зав

ерш

ени

е за

писи

в б

уфер

ную

пам

ять

и по

дго

товк

и

дан

ных

на п

еред

ачу

по C

AN

Пер

едач

а д

анны

х по

CA

N, д

лит

ельн

ый

проц

есс.

В

рем

я не

опр

едел

ено.

Не более 1 с для перезаписи в буферную память

20 мс

50 мс

20 мс

ТкТсргд

Тсрча

Пример диаграммы работы КНА.

Временное разрешениеВременное разрешение. . Миллисекундные события. TGF

Временное разрешение должно быть лучше, чем 0.1 мсКонференция «ФИЗИКА ПЛАЗМЫ В СОЛНЕЧНОЙ СИСТЕМЕ» 17-20 ФЕВРАЛЯ 2009, ИКИ РАН

Чибис


Чибис



Чибис



Чибис


Определение высоты разряда

(h)

Схема двух гипотез - TIPP’s – вторичный импульс, или эхо. Модель высотного разряда предполагает, что вторичный

импульс связан со вторичным импульсом в мезосфере. Модель отражения от Земли – второй импульс это отражение от Земли.

hh


Чибис

Временное разрешениеВременное разрешение. .

Micro-satellite Micro-satellite “Chibis-M”“Chibis-M”

Масса - Масса - 40 40 кгкг

Микроспутниковая платформа «Чибис»Микроспутниковая платформа «Чибис»


Чибис


Чибис


Масса - Масса - 40 40 кгкг

Основные технические характеристики микроспутника "Чибис".Масса 40 кг.научные приборы 10.8 кг.служебная аппаратура 12.6 кг.конструкция и система терморегулирования 16.6 кг.Орбита круговая высотой ~ 480 км.Время активного существования не менее 2-х лет. Система ориентации: электромеханическая (электро-маховики)магнитодинамическая (электромагниты), гравитационная (штанга)точность определения ориентации по датчикам (звездный, солнечный, горизонта) и системе GPS - ГЛОНАСС до 2-х угл. мин.точность наведения (электромаховики и оптоволоконный ДУС) +/- 3 – 15 угл. мин.Система передачи данных:- борт-земля – 1Мбит/с; - объем накопительной памяти комплекса научной аппаратуры – 256 Мбайт;- минимальный суточный объем принимаемой от КНА информации – ~ 50 Мбайт;- радиочастоты командной и телеметрической линий –145, 435 МГц;- радиочастота передачи информации от КНА – 2200 МГц Система бортового энергопитания

мощность ~ 50 Вт круглосуточно.напряжение 12 +/- 3 Вёмкость БХБ, суммарная 9.5 А/чассуммарная площадь солнечных батарей 0.95 м2


Чибис


Наземные наблюденияТяньшаньская высокогорная научная станция


Чибис



Чибис



Чибис

Наземные наблюдения


Чибис

Станция Сура

• Frequency range 0.1-30 MHz

• Amplification 5-40 dB (in 5 dB steps)

• Recording channels 1 - 4

• ADC range 14 bits

• Maximum sampling frequency 60 MHz

• Maximum record length 1 sec

• Trigger mode - internal/external

Наземные наблюдения


Чибис

Станция Сура

Станция Сура, 22 июля 2004, 21:00:32


ЧибисНаземные наблюдения


Чибис

ЗаключениеЗаключение

КНА "Гроза" в ходе проведения измерений на орбите КНА "Гроза" в ходе проведения измерений на орбите должен решать следующие научные задачи по должен решать следующие научные задачи по изучению:изучению:а) ступенчатого лидера высотных молний;а) ступенчатого лидера высотных молний;б) высотного распределения разрядов облако – б) высотного распределения разрядов облако – поверхность Земли и облако - облако;поверхность Земли и облако - облако;в) узких биполярных радио-импульсов (в) узких биполярных радио-импульсов (NBPNBP););г) фона радиоизлучений в дипазоне 20-50 МГЦ;г) фона радиоизлучений в дипазоне 20-50 МГЦ;д) всплесков УФ излучения;д) всплесков УФ излучения;е) е) электромагнитных параметров космической погоды в диапазоне 10-2 – 2*10 в диапазоне 10-2 – 2*1055 Гц. Гц. Изучение космической погоды должно осуществляться Изучение космической погоды должно осуществляться как параллельно с изложенными выше, так и как параллельно с изложенными выше, так и самостоятельно при передаче через ПРД 2.2 самостоятельно при передаче через ПРД 2.2 информации с прибора ПСА (ФМ, ИМ и КВЗ) на информации с прибора ПСА (ФМ, ИМ и КВЗ) на приёмный пункт Университета Ётвоса.приёмный пункт Университета Ётвоса.


Чибис



Чибис


В процессе полёта микроспутника «Чибис-М» с В процессе полёта микроспутника «Чибис-М» с использованием КНА «Гроза» должна использованием КНА «Гроза» должна реализовываться научно-образовательная реализовываться научно-образовательная программа путем передачи научной информации программа путем передачи научной информации

(например, с магнитно-волновых приборов) (например, с магнитно-волновых приборов) непосредственно на школьные и непосредственно на школьные и

университетские наземные приёмные пункты.университетские наземные приёмные пункты.


Чибис



Чибис


Мы ориентируемся на измерения TGF и NBP на высоте микроспутника ~ 500 км. Конечно, излучения от молний, рождённые на высоте 5-20 км и распространяющиеся на высоту 500 км, взаимодействуют с окружающей атмосферой и ионосферой и изменяются.

Мы заинтересованы в контактах со специалистами, изучающими эти взаимодействия.

Нам нужно знать условия, в которых происходят разряды на высоте 5-20 км. Для этого, в первую очередь, нужны скоординированные наземные наблюдения, особенно в приэкваториальных областях


Чибис


Цифровую фотокамеру мы используем для подтверждения, что молния зафиксирована в виде рассеянного свечения от облаков.

Поэтому мы ориентируемся на ночные наблюдения.


Чибис


Древний метод ночных наблюденийДревний метод ночных наблюдений


Чибис


Спасибо за вниманиеСпасибо за внимание

Уважаемые коллеги !!!Уважаемые коллеги !!!


Чибис

MWC

B-sensor PreAmpB

Calibr.B

Calibr.E,I

LinearRegul.

I-sensor

E-sensor

T-sensor

PreAmpI

PreAmpE

B

I

E

T

Out. “B”

Cal. Control B

Out. “I”

Cal. Control ICalibr. Sign

Out. “E”

Out. “T”

Power


Чибис

MWC


Чибис

MWC


Чибис

MWC


Чибис

MWC

Sensor Compo

nent Bandwidth Sampling

Speed (max.)

Search coil (Bx,Bz,By)

3 10Hz – 40kHz 100KHz

Electric VLF (E=E2-E1)

1 10Hz – 40kHz 100KHz

Plasma current (I1,I2)

2 10Hz – 40kHz 100KHz

Electric ULF (E=E2-E1)

1 DC -100Hz 250Hz

Magnetometer (BMx,BMy,BMz)

3 DC -100Hz 250Hz


Чибис

MWC


Чибис

For the correct algorithm of the production of the sign of event (lightning)

are necessary the knowledge of mutual time scale TGF and NBP.

ConclusionConclusion


Чибис

Конференция «Инновации РАН – 2007» 7-9 ноября 2007 г. г. Черноголовка

В ходе создания академического микроспутника «ЧИБИС», в создании которого участвуют и приобретают

реальный опыт молодые специалисты, использована современная

концепция «летающего прибора», позволяющая проводить научные

космические исследования без привлечения дорогостоящих

космических аппаратов, разрабатываемых предприятиями

космической отрасли.

Documents

ИЗУЧЕНИЕ НОВЫХ ФИЗИЧЕСКИХ ЯВЛЕНИЙ В АТМОСФЕРНЫХ ГРОЗОВЫХ РАЗРЯДАХ