АРИНА (космический эксперимент)

Эксперимент «АРИНА» осуществляется на низкоорбитальном космическом аппарате «Ресурс-ДК1» со следующими параметрами орбиты: высота в пределах 350—600 км с наклонением 70°[4].

Научная аппаратура для проведения космического эксперимента «АРИНА», разработанная в ИНКОС представляет собой малогабаритный многослойный (10 слоёв) автоматический сцинтилляционный спектрометр для регистрации всплесков заряженных частиц,[5] установленный в герметичном контейнере космического аппарата[4].

Спектрометр позволяет регистрировать и идентифицировать электроны (3—30 МэВ) и протоны (30—100 МэВ), а также измерять энергию частиц с погрешностью 10—15 %[6]. Светосила прибора, определяемая размерами и конфигурацией его детекторов, имеет значение порядка 10 см²·ср. Толщина слоя вещества в поле зрения спектрометра около 0,5 г/см²[4].

Масса всего оборудование эксперимента «АРИНА» не превышает 8 килограмм[2].

Метод основан на регистрации всплесков высокоэнергичных заряженных частиц — протонов с энергиями 30—100 МэВ и электронов с энергиями 3—30 МэВ и измерению их энергии, что позволяет изучать энергетические спектры и временные профили потоков частиц в околоземном космическом пространстве, появляющихся за несколько часов до предстоящего землетрясения и, таким образом, выступающих как его краткосрочные предвестники[2][3].

Благодаря основной ориентации спутника «Ресурс-ДК1», при которой ось спектрометра перпендикулярна плоскости орбиты космического аппарата, и реализуются оптимальные условия для регистрации под радиационным поясом Земли высыпающихся частиц, как вторичного происхождения — атмосферного альбедо, то есть частиц, захваченных геомагнитным полем, так и частиц, приходящих из межпланетного пространства[7].

Расчетная продолжительность эксперимента как и срок функционирования космического аппарата «Ресурс-ДК1» должны составлять не менее трёх лет[6]. За три года непрерывных измерений предполагается зарегистрировать порядка 100 сейсмических всплесков. В каждом из них предполагается измерять эволюцию энергетических спектров и их временные профили, что необходимо для определения местоположение эпицентра предстоящего землетрясения[2]

Предполагается, что широта и долгота эпицентра землетрясения в эксперименте могут быть определены с погрешностью порядка 1—2° или 100—200 км[2].

Для организации непрерывных измерений, учитывая неоднородность потоков заряженных частиц вдоль орбиты спутника, предусмотрены различные режимы работы аппаратуры и условия накопления информации. При проведении эксперимента передача информации от «Арины» на наземный комплекс «Памелы» (эксперимент PAMELA) будет происходить несколько раз в сутки[2].

В обработке и анализе научной информации по этому эксперименту примут участие итальянские ученые из Института ядерной физики Университета «Тор Вергата»[2].

В ходе эксперимента планируется решить следующие научные задачи:

• определить эффективность регистрации всплесков частиц — предвестников землетрясений[5];
• разработать метод разделения сейсмических всплесков частиц и всплесков частиц, имеющих другую физическую природу, в том числе связанных с магнитосферными возмущениями;
• реализовать метод определения географических и пространственных координат эпицентра предстоящего землетрясения по результатам измерений пространственных, временных и энергетических характеристик всплесков частиц[5].

15 июня 2006 года в 8:00:00 UTC с пусковой установки № 5 площадки № 1 космодрома Байконур силами Роскосмоса осуществлен пуск ракеты-носителя «Союз-У» (индекс — 11А511У № 096) с российским космическим аппаратом дистанционного зондирования Земли «Ресурс-ДК1». Пуск прошёл в расчетное время[9].

Кроме основной целевой оптикоэлектронной полезной нагрузки на космическом аппарате «Ресурс-ДК1» была установлена научная аппаратура «Памела» и «Арина»[10].

Через девять минут после старта спутник «Ресурс-ДК1» благополучно отделился от последней ступени носителя и вышел на опорную орбиту с параметрами:

• наклонение — 69,94°;
• высота в перигее — 199,1 км;
• высота в апогее — 368,9 км;
• период обращения — 89,93 мин[9].

Проверка научного оборудования спектрометра «Арина» продолжалась до июля 2006 года. В ходе проверок систем осуществлялась оценка работоспособности прибора, проводились контрольные измерения с целью оценки фоновых условий и выбора режимов предстоящих измерений, а также приём и обработка научной информации на наземном комплексе[11].

В течение 2006—2007 годов, в ходе непрерывных измерений потоков частиц было обнаружено несколько десятков всплесков частиц разного рода и происхождения. Совместный анализ пространственных и временных распределений зарегистрированных всплесков частиц и данных по солнечным событиям, индексам глобальной геомагнитной активности, геомагнитным пульсациям, геофизическим явлениям. показал, что всплески частиц имели различную природу: солнечно-магнитосферную, сейсмическую, грозовую[6].

По результатам полученных данных была оценена доля всплесков частиц сейсмической природы (предвестников землетрясений) и она составила 15—20 % среди всех зарегистрированных всплесков[6].

Также в указанный период измерений в эксперименте «АРИНА» были обнаружены вариации потоков протонов и электронов, связанные с развитием солнечных событий, включая мощные солнечные события в декабре 2006 года. Изучена динамика потоков и энергетических спектров солнечных вспышечных частиц и вторичных частиц во внутренних зонах магнитосферы[6].

В целом постановщиками эксперимента было отмечено согласующуюся картину в наблюдательных данных, при этом в эксперименте «АРИНА» выявлены и дополнительные особенности, по-видимому, связанные с различиями в орбитах космических аппаратов и в энергетических диапазонах регистрируемых частиц[6].

Также в эксперименте было определено географическое распределение местоположение зарегистрированных в эксперименте «Арина» всплесков высокоэнергетических частиц. Структура данного распределения практически полностью совпадает с подобными результатами, полученными в ходе ранее проводимых экспериментов, таких как МАРИЯ-2, ГАММА-1 и SAMPEX/PET[6].

Кроме основной задачи в эксперименте «Арина» проводились изучения вариаций потоков электронов и протонов приходящих из межпланетного пространства[12].

В ходе эксперимента было обнаружено несколько возрастаний потоков частиц, связанных с развитием солнечных событий. Наиболее яркие вариации интенсивности были измерены в декабре 2006 года, после серии мощных солнечных вспышек[12].

В рамках эксперимента было выполнено сравнение полученных данных с результатами измерений временных и энергетических характеристик потоков протонов и электронов в других космических экспериментах: GOES, POES, PAMELA, ВСПЛЕСК[6].

Согласно результатам эксперимента, полученные данные предоставляют возможность использовать спектрометры по регистрации всплесков частиц для дистанционной диагностики локальных магнитосферных и геофизических возмущений, включая сейсмические колебания земной коры[6].

Эксперимент показывает, что если спектрометром на космическом аппарате был зарегистрирован всплеск частиц высоких энергий, то существует возможность определить географическое местоположение локального возмущения радиационного пояса.[6]В случае сейсмического возмущения, возникшего в процессе подготовки землетрясения таким образом возможно определить местоположение очага предстоящего землетрясения.

Состоянием на начало 2013 года спутник «Ресурс-ДК1» продолжает свою работу. Все системы работают в штатном режиме.

В ходе эксперимента зарегистрировано около 200 всплесков электронов с энергиями в диапазоне 3—20 МэВ. Набранная статистика позволила впервые детально изучить пространственные и временные характеристики всплесков частиц, и провести корреляционный анализ между всплесками частиц и солнечно-магнитосферными и геофизическими явлениями. В результате были получены следующие результаты[13]:

• Обнаружено, что наряду со вспл:
• Выявлены особенности в географических распределениях всплесков частиц, показывающие, что около 70 % таких всплесков связаны с молниевыми разрядами и расположены над зонами повышенной грозовой активности.есками частиц, наблюдаемыми на различных долготах возмущенных дрейфовых L-оболочек, есть всплески частиц, группирующиеся вдоль линий тектонических разломов. Показано, что около 20 % всплесков частиц в общем числе зарегистрированных всплесков могут иметь сейсмическую природу, при этом они локализованы на дрейфовых L-оболочках землетрясений и предшествуют за несколько часов землетрясениям с магнитудой более 4. Оценена вероятность регистрации сейсмического всплеска частиц в спутниковых измерениях и показано, что она близка к 100 % при магнитуде землетрясения более 7 и резко убывает почти на два порядка при магнитуде 4.
• Обнаружено значительное увеличение числа событий — всплесков интенсивности высокоэнергичных электронов в магнитосфере Земли непосредственно над районом Японии, связанных с резким возрастанием сейсмической активности в этой зоне в марте 2011 года.
• Разработан подход к использованию всплесков высокоэнергичных частиц для дистанционной диагностики локальных магнитосферных и геофизических возмущений, включая сейсмические, основанный на измерении характеристик всплесков частиц[13].
• Обнаружено, что наряду со вспл.

Подобная научная аппаратура (эксперимент «ВСПЛЕСК») установлена на Международной космической станции. Проведение коррелированных измерений потоков частиц на двух космических аппаратах даст новые возможности в изучении природы всплесков высокоэнергичных частиц, повысит надежность получаемых результатов в будущем[13].