ИНСТИТУТ КОСМИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЙ РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК

ИНСТИТУТ КОСМИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЙИНСТИТУТ КОСМИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЙРОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУКРОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК

НАУЧНАЯ ЗНАЧИМОСТЬ И

СОЦИАЛЬНО-ЭКОНОМИЧЕСКАЯ

ЭФФЕКТИВНОСТЬ

РЕАЛИЗАЦИИ ПРОГРАММЫ ПО

СОЛНЕЧНО-ЗЕМНОЙ ФИЗИКЕ.

The Scientific & Technical Subcommittee of the COPUOS, 41st session, Vienna 16 – 27 February 2004


1.ОБОСНОВАНИЕ НЕОБХОДИМОСТИ РЕАЛИЗАЦИИ ПРОГРАММЫ ПРОГРАММНО-ЦЕЛЕВЫМ МЕТОДОМ.

2.ОСНОВНЫЕ ЦЕЛИ И ЗАДАЧИ ПРОГРАММЫ.

3. МЕХАНИЗМ РЕАЛИЗАЦИИ ПРОГРАММЫ.

4. ОЦЕНКА НАУЧНОЙ ЗНАЧИМОСТИ И СОЦИАЛЬНО-ЭКОНОМИЧЕСКОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ РЕАЛИЗАЦИИ ПРОГРАММЫ.

5. СРОКИ И ЭТАПЫ РЕАЛИЗАЦИИ ПРОГРАММЫ.

6. ЗАКЛЮЧЕНИЕ.


Содержание


Одной из 16 Программ, принятых Президиумом РАН в 2003 году,

является

Программа Отделения физических наук РАН

"Солнечный ветер: генерация и взаимодействие с Землей и

другими планетами" (ОФН-16). The Scientific & Technical Subcommittee of the COPUOS, 41st session, Vienna 16 – 27 February 2004


Координатор программы –

член-корреспондент РАН

Л.М. Зеленый,

ведущая организация –

Институт космических исследований РАН.



1.ОБОСНОВАНИЕ НЕОБХОДИМОСТИ 1.ОБОСНОВАНИЕ НЕОБХОДИМОСТИ

РЕАЛИЗАЦИИ ПРОГРАММЫ РЕАЛИЗАЦИИ ПРОГРАММЫ

ПРОГРАММНО-ЦЕЛЕВЫМ ПРОГРАММНО-ЦЕЛЕВЫМ

МЕТОДОМ.МЕТОДОМ.



Предметом исследования Программы Предметом исследования Программы

"Солнечный ветер: генерация и взаимодействие с "Солнечный ветер: генерация и взаимодействие с

Землей и другими планетами" Землей и другими планетами"

являются разнообразные по временным и являются разнообразные по временным и

пространственным масштабам объекты: пространственным масштабам объекты:

• корона Солнца, корона Солнца,

• ссолнечный ветер, олнечный ветер,

• плазменные оболочки Земли и других планет.плазменные оболочки Земли и других планет.



Все эти объекты логически связаны иерархией Все эти объекты логически связаны иерархией

физических процессов, описывающих передачу физических процессов, описывающих передачу

кинетической и электромагнитной энергии от кинетической и электромагнитной энергии от

Солнца к Земле. Солнца к Земле.

В настоящее время в солнечно-земной физике В настоящее время в солнечно-земной физике

накоплен значительный наблюдательный накоплен значительный наблюдательный

материал, полученный, как на космических материал, полученный, как на космических

аппаратах, так и на сети наземных обсерваторий.аппаратах, так и на сети наземных обсерваторий. The Scientific & Technical Subcommittee of the COPUOS, 41st session, Vienna 16 – 27 February 2004


Большие успехи достигнуты в теоретических исследованиях Большие успехи достигнуты в теоретических исследованиях

плазменно-волновых процессов в космической плазме и плазменно-волновых процессов в космической плазме и

существуют серьезные проработки лабораторного и существуют серьезные проработки лабораторного и

компьютерного моделирования. компьютерного моделирования.

Рассмотрение с единых позиций всего комплекса физических Рассмотрение с единых позиций всего комплекса физических

процессов приводит к необходимости объединения усилий процессов приводит к необходимости объединения усилий

ученых, занимающихся изучением каждого из ученых, занимающихся изучением каждого из

вышеперечисленных направлений.вышеперечисленных направлений.



Программы предполагается осуществить комплексный Программы предполагается осуществить комплексный подход к решению поставленных задач путем:подход к решению поставленных задач путем:

• экспериментальных исследований параметров плазмы, экспериментальных исследований параметров плазмы, постоянного магнитного поля и электромагнитного постоянного магнитного поля и электромагнитного излучения на основе измерений на космических аппаратах излучения на основе измерений на космических аппаратах и наземных обсерваториях;и наземных обсерваториях;

• теоретический анализ полученных результатов с теоретический анализ полученных результатов с использованием, как гидродинамического описания использованием, как гидродинамического описания крупномасштабных явлений, так и кинетического - для крупномасштабных явлений, так и кинетического - для анализа тонкой структуры процессов, и на их основе анализа тонкой структуры процессов, и на их основе построение адекватных моделей;построение адекватных моделей;

• проведение лабораторного и численного моделирования проведение лабораторного и численного моделирования физических процессов с целью определения критических физических процессов с целью определения критических элементов моделей.элементов моделей.



Такой подход является оригинальным элементом Такой подход является оригинальным элементом

исследований и для его реализации необходимо исследований и для его реализации необходимо

объединение усилий исследователей из разных объединение усилий исследователей из разных

институтовинститутов разных стран. разных стран.

Это необходимоЭто необходимо делать в рамках Программы делать в рамках Программы

COPUOSCOPUOS. .



2.ОСНОВНЫЕ ЦЕЛИ И ЗАДАЧИ 2.ОСНОВНЫЕ ЦЕЛИ И ЗАДАЧИ ПРОГРАММЫ.ПРОГРАММЫ.



Основной целью Программы является

определение иерархии физических процессов,

определяющих динамику плазмы в солнечном

ветре и магнитосферах планет с учетом роли

волновых процессов, на основе комплексного

подхода и рассмотрения с единых позиций

разномасштабных явлений.



Программа сформирована из 5-ти направлений:Программа сформирована из 5-ти направлений:

- "Динамика солнечной короны и формирование солнечного ветра".

- "Солнечный ветер и его взаимодействие с магнитосферами планет".

• "Динамика магнитосфер Земли и планет".

• "Ионосферные эффекты взаимодействия солнечного ветра с магнитосферой Земли и планет земной группы".

• "Лабораторное моделирование".



Эти направления курируют авторитетные ученые, являющиеся в институтах РАН ведущими

специалистами в соответствующих направлениях и хорошо известны мировой научной

общественности по своим работам, широко представляемым, в частности, в рамках

конференций КОСПАР. В Приложении более подробно перечислены

конкретные научные направления, курируемые институтами РАН, в которых работы ведутся с

участием широкой международной кооперации, и таким образом Программа может реализовываться с участием ученых и специалистов многих стран.



3. МЕХАНИЗМ РЕАЛИЗАЦИИ 3. МЕХАНИЗМ РЕАЛИЗАЦИИ ПРОГРАММЫ.ПРОГРАММЫ.



Общая координация работ по проекту будет Общая координация работ по проекту будет проводиться советом Программы. Для проводиться советом Программы. Для выработки общих подходов, уточнения выработки общих подходов, уточнения

постановки задач и обмена полученными постановки задач и обмена полученными результатами в рамках Программы результатами в рамках Программы могмогут ут

проводиться ежегодные совещания всех проводиться ежегодные совещания всех участников Программы. участников Программы.

Кроме этого планируется Кроме этого планируется проведение проведение совместных семинаров и рабочих встречсовместных семинаров и рабочих встреч по по направлениям и/или отдельным проектамнаправлениям и/или отдельным проектам..



Результаты работ по Результаты работ по ППрограмме будут рограмме будут представлпредставлятьсяяться для опубликования в для опубликования в

ведущие научные издания. ведущие научные издания.



В рамках Программы создается специальный сайт в В рамках Программы создается специальный сайт в сети ИНТЕРНЕТ сети ИНТЕРНЕТ http://solarwind.cosmos.ru/ , , который будет содержать: который будет содержать:

• научную часть, открытую для всех пользователей научную часть, открытую для всех пользователей сети, в которой будут содержаться основные сети, в которой будут содержаться основные результаты и файлы статей; результаты и файлы статей;

• рабочую часть для участников программы (обмен рабочую часть для участников программы (обмен текущей информацией, данными и пр.);текущей информацией, данными и пр.);

• научно-популярную часть, рассказывающую о научно-популярную часть, рассказывающую о предмете исследований и о новостях в этой предмете исследований и о новостях в этой

области, образовательную часть (словарь терминов области, образовательную часть (словарь терминов

и их объяснение).и их объяснение). The Scientific & Technical Subcommittee of the COPUOS, 41st session, Vienna 16 – 27 February 2004


4. ОЦЕНКА НАУЧНОЙ ЗНАЧИМОСТИ И 4. ОЦЕНКА НАУЧНОЙ ЗНАЧИМОСТИ И

СОЦИАЛЬНО-ЭКОНОМИЧЕСКОЙ СОЦИАЛЬНО-ЭКОНОМИЧЕСКОЙ

ЭФФЕКТИВНОСТИ РЕАЛИЗАЦИИ ЭФФЕКТИВНОСТИ РЕАЛИЗАЦИИ

ПРОГРАММЫ.ПРОГРАММЫ.



Научная значимость Программы определяется как Научная значимость Программы определяется как

поставленными задачами, так и высокой поставленными задачами, так и высокой

квалификацией и опытом коллективов, квалификацией и опытом коллективов,

участвующих в выполнении Программы, участвующих в выполнении Программы,

заведомо достаточными для успешной заведомо достаточными для успешной

реализации основных направлений Программы, реализации основных направлений Программы,

как в теории, так и в эксперименте. как в теории, так и в эксперименте.



Отличительной особенностью Отличительной особенностью ППрограммы рограммы

является ее комплексный многоявляется ее комплексный много--

дисциплинарный характердисциплинарный характер

на стыке астрофизики, физики плазмы, на стыке астрофизики, физики плазмы,

радиофизики, геофизики и радиофизики, геофизики и

магнитной гидродинамики. магнитной гидродинамики.



Важно также отметить, что гелиосфера, заполненная Важно также отметить, что гелиосфера, заполненная

потоком солнечного ветра, представляет собой потоком солнечного ветра, представляет собой

гигантскую лабораториюгигантскую лабораторию, в которой реализуются , в которой реализуются

разнообразные физические процессы, которые разнообразные физические процессы, которые

невозможно реализовать в земных условияхневозможно реализовать в земных условиях, как в силу , как в силу

экстремальных значений некоторых параметров, так и в экстремальных значений некоторых параметров, так и в

силу отсутствия стенок у такой природной силу отсутствия стенок у такой природной

экспериментальной установки. экспериментальной установки.



В силу этого исследования солнечного ветра и его В силу этого исследования солнечного ветра и его

взаимодействия с различными структурами внешних взаимодействия с различными структурами внешних

областей планет и других тел солнечной системы областей планет и других тел солнечной системы

позволяет получить новые знания по физике плазмы, позволяет получить новые знания по физике плазмы,

магнитной гидродинамике и радиофизике. магнитной гидродинамике и радиофизике.

По существу исследования солнечной атмосферы, По существу исследования солнечной атмосферы,

солнечного ветра и магнитосферы как плазменных солнечного ветра и магнитосферы как плазменных

объектов вобрали в себя все основные достижения физики объектов вобрали в себя все основные достижения физики

плазмы и явились стимулом для ее дальнейшего плазмы и явились стимулом для ее дальнейшего

развития. развития.



Помимо чисто научного интереса, наблюдения Помимо чисто научного интереса, наблюдения

солнечного ветра представляют большое солнечного ветра представляют большое

практическое значение, так как плазма практическое значение, так как плазма

солнечного ветра является основным агентом, с солнечного ветра является основным агентом, с

помощью которого активные процессы на помощью которого активные процессы на

Солнце оказывают влияние на состояние Солнце оказывают влияние на состояние

околоземного космического пространства и околоземного космического пространства и

магнитосферы Земли. магнитосферы Земли.



Изучение динамики геомагнитосферы необходимо для Изучение динамики геомагнитосферы необходимо для

решения как научных, так и практических задач в решения как научных, так и практических задач в

области космонавтики, радиосвязи, метеорологии и области космонавтики, радиосвязи, метеорологии и

климатологии и тех видов деятельности, которые климатологии и тех видов деятельности, которые

существенно от них зависят, в частности сельского существенно от них зависят, в частности сельского

хозяйства, биологии и медицины. хозяйства, биологии и медицины.

Этот аспект солнечно-земных связей, названный в начале Этот аспект солнечно-земных связей, названный в начале

XXXX века выдающимся века выдающимся российским российским ученым ученым

А.Л.Чижевским "А.Л.Чижевским "ккосмической погодой", в последнее осмической погодой", в последнее

время заслуженно пользуется повышенным интересом, время заслуженно пользуется повышенным интересом,

как у научных работников, так и у представителей как у научных работников, так и у представителей

многих других специальностей. многих других специальностей. The Scientific & Technical Subcommittee of the COPUOS, 41st session, Vienna 16 – 27 February 2004


5. СРОКИ И ЭТАПЫ РЕАЛИЗАЦИИ

ПРОГРАММЫ.



Для реализации Программы ИКИ РАН

выступает с предложениями по включению

в Федеральную космическую программу

(ФКП–2015) по фундаментальным

исследованиям следующих проектов:



5.1. Проект "РЕЗОНАНС".Основными научными задачами проекта являются:• изучение динамики магнитосферного циклотронного

мазера;• мониторинг кольцевого тока и внешнего радиационного

пояса;• исследование процессов наполнения и разрушения

плазмосферы;• определение роли мелкомасштабных

электродинамических структур в глобальной динамике околоземной плазмы,

• изучение генерации и распространения УНЧ излучений при помощи интерферометрических измерений.


R RESO NANCEРЕЗОН АН С




Научная программа состоит из «пассивной» и «активной» частей. В «активной» части планируется проведение совме-стного эксперимента с назем-ным нагревным стендом для изучения возможности контро-лировать режимы магнито-сферного мазера и управления населенностью РП.


Для решения этих задач будут запущены 2 КА на магнито-синхронную орбиту, что позволит

проводить долговременные измерения в выбранной силовой магнитной трубке.

Ориентировочный вес каждого из КА – 300-400 кг (110 кг – научная аппаратура, 100 кг – рабочее

тело для корректирующего двигателя).




5.2. Проект "КЛИППЕР" (название предварительное). Целями проекта являются:• исследование пространственной и временной динамики

мелкомасштабных структур солнечного ветра и межпланетного магнитного поля;

• непрерывный мониторинг параметров межпланетной среды в интересах других исследований по солнечно-земной физике;

• отработка методики оперативного прогноза «космической погоды».



Существенным (и еще не встречавшимся в мировой практике) преимуществом данного проекта является достигаемое с помощью солнечного паруса постоянное расположение этих аппаратов вблизи линии Солнце-Земля на расстояниях от Земли около 3-4 млн. км, т.е. значительно больших, чем расстояние до точки либрации L1, что позволяет заметно (по крайней мере, в два раза по сравнению с существующими и предполагаемыми миссиями) увеличить интервал времени между регистрацией опасного возмущения межпланетной среды и его приходом к магнитосфере Земли.


Cameras

Наличие 4-х аппаратов (масса каждого < 30 кг), раздвинутых на расстояния порядка 100 тыс. км, позволит определять ориентацию плазменных и магнитных фронтов резких возмущений, что важно для определения их геоэффективности.





5.3. Проект "ИНТЕРБОЛ-3".

Спутник среднего класса (около 600 кг на базе эксплуатируемых в настоящее время систем КА "ЯМАЛ"), предназначенный для фундаментальных исследований физических процессов в среднем магнитосферном хвосте – пересоединения, ускорения частиц, роли турбулентности, динамики плазмоидов и т.д.

Предполагается использования части наработок проекта "Резонанс" по научной аппаратуре для достижения существенно лучшего (по сравнению с прошлыми проектами) разрешения по времени.



Три низкоорбитальных микроспутника, входящих в

украинскую систему «Прогноз»



5.4. Проект "РОЙ".

Система из Базового КА (служебная платформа на основе КА «Резонанс») и четырёх субспутников.

В проекте РОЙ предполагается изучение мелкомасштабной структуры критических областей

магнитосферы, где происходят процессы аннигиляции магнитного поля. Это подсолнечная

точка магнитопаузы, каспы на дневной стороне, а так же приземный плазменный слой в хвосте

магнитосферы на ночной стороне.



Для исследования вариаций нелокальной плотности плазмы планируется проведение уникаль-ного эксперимента по когерент-ному радио-просвечиванию на средних волнах (150 - 1000 Кгц) по осям БАЗА‑субспутник - т.н. радиотомография.

В этом эксперименте со спутника-БАЗЫ будут излучаться когерентные волны на двух различных частотах, а измерения изменения фаз этих волн на субспутниках позволят восстановить пространственное распределение плотности плазмы.



Комическаясистема «Рой»



Одновременное функционирование

проектов «КЛИППЕР», «ИНТЕРБОЛ-3»,

«РОЙ» и украинского проекта «Прогноз»

позволит создать полномасштабную

комплексную систему изучения и

прогнозирования космической погоды.


5.4. Эксперименты по программе солнечно-земной физики в составе Российского сегмента Международной космической станции.



В настоящее время РАН и Росавиакосмос сформировали

"Долгосрочную программу научных и прикладных исследований на РС МКС",

включающую около 40 космических экспериментов (КЭ) в области геофизики и

космической физики. Научная аппаратура, разрабатываемая для

реализации этих КЭ, в значительной части может быть использована в интересах изучения

солнечно-земной физики.



Опыт научных исследований, проведенных на орбитальной станции «Мир», свидетельствует о возможности и целесообразности использования долгоживущих орбитальных комплексов для изучения факторов

окружающего космического пространства (ОКП) на долговременной основе. Знание процессов в ОКП,

способных повлиять на изменение известных защитных свойств магнитосферы и ионосферы, для человека

жизненно необходимо.

Долговременный мониторинг параметров ионосферы и некоторых областей магнитосферы с борта орбитальных станций может оказать неоценимую помощь, во-первых,

для потребителей текущей информации о состоянии ионосферы (радиосвязь и навигация), а также для

исследователей солнечно-земных связей.



Для объединения усилий по созданию банка необходимых данных и координации текущих работ по их сбору, анализу и публикации необходимо подготовить программу и методику исследований Космической погоды, согласованные с заинтересованными разработчиками аппаратуры и учеными – экспериментаторами в различных странах.

Инициативу подготовки такой программы может взять на себя ИКИ РАН совместно с РКК «Энергия». Основные задачи программы, реализация которой может быть начата с 2005 года и продлится не менее 5 лет, могут быть сформулированы как:




SS

L P 2

Plasma-Wavw Complex (PWC)The “OBSTANOVKA-1 stage” experiment on RS ISS


PWC compositionUnit Responsible Institute

Combined wave sensor – CWS-1, CWS-2 LC ISR, Ukraine

Signal Analyzer and Sampler – SAS3 SRG, BLE, Hungary

Flux gate magnetometer – DFM-1 IKI RAS , Russia

Flux gate magnetometer – DFM-2 LC ISR, Ukraine

Langmuir probe - LP-1, LP-2 STIL, Bulgaria

Spacecraft potential monitor - DP-1, DP-2 IKI BAS, Bulgaria

Plasma discharge stimulator – SPP IKI RAS, Russia

Correlating Electron Spectrograph - CORES Sussex University, UK

Radio Frequency Analyzer – RFA (Scorpion) SISP, Sweden;

SRC, Poland

Data Acquisition and Control Unit - DACU-1, DACU-1 KFKI RMKI, Hungary;

Block of Storage of Telemetry Information – BSTM KFKI RMKI, Hungary;

Grounding support equipment – GSE KFKI RMKI, Hungary;

PWC integration IKI RAS, RSK “Energia”, Russia



6. ЗАКЛЮЧЕНИЕ.6. ЗАКЛЮЧЕНИЕ.



К работам по Программе будут привлекаться, К работам по Программе будут привлекаться, помимо ведущих специалистов, студенты и помимо ведущих специалистов, студенты и аспиранты, работающие в институтах, аспиранты, работающие в институтах, участвующих в Программе.участвующих в Программе.

"Космическая погода" является стержневой "Космическая погода" является стержневой задачей Программы научно-образовательных задачей Программы научно-образовательных

микроспутников (ПНОМ' 2002-2007). микроспутников (ПНОМ' 2002-2007). Реализация Реализация ПНОМ' 2002-2007ПНОМ' 2002-2007 началась в 2002 началась в 2002

году запуском году запуском первого научно-образовательного первого научно-образовательного

российско-австралийского микроспутника российско-австралийского микроспутника «Колибри-2000»«Колибри-2000»..






Масса 20.5 кг

Масса научной аппаратуры - 3,5 кг:-магнитометр;-- анализатор энергич-ных частиц и электри-ческого поля

Орбита – круговая ~380 км

Точность определения ориентации – +/- 10 град. Мощность – 30 Вт.



Обучение работе на школьномпункте приёма информации с микроспутника «Колибри-2000»проводит специалист РКК «Энергия»(Sydney, Ravenswood School for Girl)


Научно-образовательный микроспутник в совокупности с наземным комплексом приёма и

обработки информации как раз и становится таким современным наглядным пособием:

оперативным,многосторонним, общедоступным,

глобальным, которое делает процесс познания продуктивнее,

интереснее, а в целом – существенно эффективней.



Исходя из всего комплекса задач ПНОМ' 2002-2007, Исходя из всего комплекса задач ПНОМ' 2002-2007,

определён и включен в "Колибри-2000", базовый состав определён и включен в "Колибри-2000", базовый состав

комплекса аппаратуры, исследующей важнейшие комплекса аппаратуры, исследующей важнейшие

параметры "космической погоды", связанные с параметры "космической погоды", связанные с

фундаментальными процессами транспорта энергии от фундаментальными процессами транспорта энергии от

Солнца в магнитосферу, ионосферу и атмосферу Земли. Солнца в магнитосферу, ионосферу и атмосферу Земли.

Расширенный включением аппаратуры для атмосферных Расширенный включением аппаратуры для атмосферных

исследований и фотометрической аппаратуры комплекс исследований и фотометрической аппаратуры комплекс

является полезной нагрузкой является полезной нагрузкой

нового микро-спутниканового микро-спутника «Чибис» «Чибис»,,

разработка которого начата в ИКИ РАН с участием разработка которого начата в ИКИ РАН с участием

международной кооперации.международной кооперации.The Scientific & Technical Subcommittee of the COPUOS, 41st session, Vienna 16 – 27 February 2004



Масса 40 кг

Масса научной аппаратуры - 12,5 кг- магнитно-волновой комплекс;- атмосферный комплекс СО2

-панорамная камера

Орбита – круговая ~480 км

Точность определе-ния ориентации – 2 угл. мин.

Мощность – 50 Вт.

Documents

ИНСТИТУТ КОСМИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЙ РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК