Дождь на Солнце и зонд IRIS
Перед вами поверхность Солнца, попавшая в объектив камеры космического аппарата IRIS (Interface Region Imaging Spectrograph). Этот небольшой аппарат массой менее двухсот килограмм и длиной около двух метров предназначен для изучения потоков энергии и вещества в солнечной атмосфере. Он был выведен в космос ровно 10 лет назад, 27 июня 2013 года (28 июня по времени UTC) ракетой-носителем «Пегас», стартовавшей с самолета Старгейзер (Stargazer). Менее чем через месяц, 17 июля, он уже сделал свои первые снимки.
Ежедневно IRIS собирает данные объемом около 8 Гб (после сжатия) и передает их на Землю в X-диапазоне несколько раз в сутки, пролетая над шпицбергенской станцией SvalSat. Также прием данных осуществляют станции на Аляске и острове Уоллопс (см. Wallops Island). На обработку данных уходит несколько дней, после чего они размещаются на сайте проекта и становятся доступны всем желающим. Раз в одну-две недели здесь размещаются небольшие видео с кратким комментарием (см. IRIS Movie of the Day): в качестве заглавного снимка мы взяли как раз кадр из такого видео. Несколько раз в год IRIS делает «мозаику» — по очереди фотографирует разные участки солнечной поверхности, после чего специальная программа собирает из почти двухсот получившихся кусочков полное изображение Солнца.
Мозаика из снимков, сделанных 21 мая 2023 года на длине волны 280,3 нм. Фото с сайта iris.lmsal.com
Красивые петли в правой части главного фото представляют собой интересное физическое явление — корональный дождь. Его образуют потоки горячей плазмы, выбрасываемой в солнечную атмосферу. Потери энергии на электромагнитное излучение приводят к быстрому охлаждению плазмы и образованию огромных «капель» — плотных и сравнительно холодных сгустков. Поскольку их плотность оказывается выше, чем у окружающих их слоев солнечной атмосферы, они начинают, подобно дождю, падать обратно на поверхность Солнца. Изогнутые траектории капель, в значительной степени состоящих из ионизированной плазмы, определяются силовыми линиями солнечного магнитного поля. Наблюдение за прочерчивающим эти линии корональным дождем дает ученым информацию о структуре и свойствах солнечной магнитосферы. Не каждый выброс плазмы превращается в дождь: это зависит от конфигурации магнитного поля в районе выброса.
Как и на Земле, дождь на Солнце бывает разным. Наиболее характерный размер капель — несколько сот километров, а их температура — 104–105 K (исходная температура гораздо выше, порядка 106 K). Любопытно, что столь сильное падение температуры иногда происходит всего за несколько минут: это явление так и называется — «катастрофическое охлаждение». Скорость падения капель коронального дождя — около 50–100 км/с, это гораздо меньше, чем должно было бы наблюдаться при свободном падении под действием солнечной гравитации. Предполагают, что капли тормозятся давлением содержащегося в солнечной атмосфере газа или же давлением магнитного поля, но есть и другие объяснения этого эффекта. Вообще, физика корональных дождей до сих пор недостаточно хорошо изучена. Возможно, полученные IRIS результаты помогут ученым продвинуться в понимании процессов, сопровождающих это любопытное физическое явление.
Главным объектом исследований аппарата IRIS является хромосфера (см. картинку дня Портрет хромосферы) — второй слой солнечной атмосферы, расположенный снаружи от фотосферы, — и окружающая хромосферу тонкая переходная область, отделяющая ее от солнечной короны (см. картинку дня Корональная дыра). Сложные динамичные атмосферные процессы, происходящие в этих областях, во многом определяют то, что происходит снаружи от переходной области — в солнечной короне и гелиосфере. Именно поэтому изучение хромосферы и переходной области очень важно для понимания физики Солнца, в которой пока еще немало открытых вопросов. Собранная IRIS информация может, например, помочь ученым объяснить, что вызывает различные выбросы вещества из солнечной короны — от устойчивого потока солнечного ветра до таких «взрывных» процессов, как солнечные вспышки или корональные выбросы массы, которые влияют на работу электрических систем и вызывают помехи в радиосвязи и в работе электронного оборудования.
Солнечные протуберанцы. В отличие от капель коронального дождя протуберанцы живут гораздо дольше — часы, дни или даже недели. Фото с сайта commons.wikimedia.org
Научное оборудование IRIS составляют два основных инструмента: ультрафиолетовый телескоп и спектрометр. Телескоп-рефлектор системы Кассегрена с 19-сантиметровым зеркалом спроектирован Смитсоновской астрофизической обсерваторией. Попавшее в его объектив излучение поступает на камеру с щелевым затвором и на спектрометр, разработанный в Лаборатории солнечной и звездной физики корпорации «Локхид Мартин» (см. Lockheed Martin Solar and Astrophysics Laboratory, LMSAL). IRIS может регистрировать излучение в нескольких промежутках ультрафиолетового диапазона: он «видит» ультрафиолет с длиной волны 133–136, 139–141 и 278–283 нм. Эти промежутки выбраны потому, что они содержат яркие спектральные линии различных ионов кислорода, углерода, кремния, магния и железа, возникающие в фотосфере, хромосфере и переходной области (см. картинку дня Солнечный спектр).
Расположение научной аппаратуры на IRIS. Рисунок из статьи B. De Pontieu et al., 2014. The Interface Region Imaging Spectrograph (IRIS)
IRIS не может «охватить взором» всё Солнце сразу: его поле зрения составляет чуть меньше 3′, так что в объектив телескопа попадает лишь около 1% солнечной поверхности. Зато он может разглядеть довольно мелкие детали размером несколько сот километров. Поэтому IRIS иногда работает в паре с другими исследовательскими аппаратами, которые могут делать общие планы Солнца или достаточно крупных его областей — например, с Обсерваторией солнечной динамики (Solar Dynamics Observatory, SDO). SDO выбирает на общем снимке области, представляющие наибольший интерес, а IRIS фотографирует их в более крупном разрешении. Наведение на цель облегчает небольшой телескоп-искатель, установленный сбоку от основного.
Сравнение качества изображений, получаемых SDO (слева) и IRIS. Фото с сайта nasa.gov
Аппарат IRIS превосходит своих предшественников (см., например, картинку дня Солнечный зонд «Паркер») по характеристикам, которые важны при наблюдении за мелкомасштабными структурами и волновыми процессами, обладающими высокой динамикой. Его спектрометр способен анализировать излучение, испускаемое плазмой с температурой от 5000 до 107 K, а камера «видит» плазму температурой от 5000 до 65 000 K (при наблюдении солнечных вспышек верхняя граница может сдвигаться до 107 K). Угловое разрешение приборов составляет 0,3–0,4″, а спектральное (то есть чувствительность спектрометра, позволяющая ему различать волны разной длины) — 25–50 мÅ, что близко к теоретическому пределу.
Подготовка спутника к запуску в Центре космических полетов имени Годдарда. Фото с сайта en.wikipedia.org, 7 декабря 2012 года
Проведение высокоточных наблюдений требует учета многих тонких эффектов, о которых в обычной жизни не приходится задумываться. Так, например, температурные деформации приводят к тому, что оптические оси основного телескопа и телескопа-искателя, которые должны быть параллельны, могут расходиться на угол до 2,5″. Специальные алгоритмы позволяют скомпенсировать этот эффект практически полностью. А система стабилизации изображения компенсирует высокочастотные дрожания поворотного вторичного зеркала телескопа, обеспечивая среднюю стабильность ориентации на уровне 0,05″ (такой угловой размер имела бы Статуя Свободы вместе с постаментом, помещенная на Луне).
IRIS обращается вокруг Земли по солнечно-синхронной орбите с высотой перигея и апогея 620 и 670 км соответственно. Такая орбита предоставляет хорошие возможности для наблюдения за Солнцем на протяжении семи-восьми месяцев в году. В оставшееся время, с ноября по февраль, Солнце стоит невысоко над плоскостью видимого горизонта, из-за чего значительная часть ультрафиолетового излучения поглощается земной атмосферой, а на некоторых участках орбиты Солнце и вовсе затмевается Землей. Для определения своей ориентации аппарат использует звездные и солнечные датчики (см. Sun sensor) и магнитометр; коррекция ориентации производится при помощи четырех двигателей-маховиков (см. Reaction wheel). Энергию для работы зонда обеспечивают две солнечные батареи общей мощностью 340 Вт.
Кадр из видео с сайта iris.lmsal.com.
Алексей Деревянкин
-
При всем уважении к читателям этого сайта, я не думаю, что большинство видело эту самую Статую Свободы лично, дабы оценить сравнение:
такой угловой размер имела бы Статуя Свободы вместе с постаментом, помещенная на Луне
Почему не сравнить, ну не знаю, со Спасской башней, Петропавловкой, статуей "Родина-мать" (хоть волгоградской, хоть киевской)?
горизонта спутника. Покажите источник таких данных, если не затруднит. Любопытная информация.
Возможно, у вас тут ошибка, и правильнее написать "Солнце стоит невысоко над видимым горизонтом" или "над видимым краем Земли". Тогда это будет верно, с точки зрения поглощения УФ протяжённым слоем атмосферы. Но при этом Солнце будет находиться не над плоскостью местного горизонта, а ПОД плоскостью местного горизонта. Так как плоскость местного горизонта - касательная плоскость к поверхности Земли в подспутниковой точке (неважно, как эту точку определять, разница окажется небольшой). А видимый край Земли (и Солнце сразу над ним) будут видны со спутника ниже плоскости местного горизонта. Край Земли (и восход-заход Солнца) будет виден в пределах конуса под местным горизонтом.
Тогда лучи Солнца будут приходить на спутник из-под местного горизонта, перед этим долго проходя параллельно поверхности Земли на малой высоте. И там да, значительно поглощаться на длинном атмосферном участке. Вплоть до тропосферного слоя с его погодными явлениями.
-
Может, спектр атмосферы Земли при этом засоряет солнечный? На этой высоте условия для свечения кажутся хорошими: и остатков атмосферы еще много, и она уже достаточно разрежена, чтобы и возбуждаться от жестокой части излучения и беспрепятственно светиться
-
Думаю у Алексея ошибка с понятием местного горизонта. Солнце, находясь невысоко над видимым краем Земли (условия значительного поглощения света), будет ПОД плоскостью местного горизонта для высоты 600+ км.
Свечения атмосферы на этой высоте уже практически нет, по крайней мере действующего на инструмент, иначе обсерватория бы не работала - детали изображения тонули бы в свечении атмосферы.
-
"The IRIS polar, Sun-synchronous orbit is similar to that of TRACE and Hinode
and allows for seven – eight months of continuous observations per year, with
strong atmospheric absorption occurring during the November – February time
frame when the Sun is seen by IRIS at heights below ~200 km (FUV) and ~50
km (NUV) above the Earth’s surface."
Эти величины в 50 и 200 км, которые меньше высоты спутника, и говорят, что геометрия взаимного расположения IRIS, Земли и Солнца такая, как Вы описали. Ошибку поправим :)
-
спасибо, Алексей! Не сочтите за придирки, это же наука) интересно обсудить эти детали. С лёгкой подачи Википедии и тамошней анимации про движение спутника на ССО над линией терминатора многие думают, что спутник на ССО, запущенный в плоскости терминатора, так и будет оставаться в плоскости терминатора. :))
"Специальным случаем солнечно-синхронной орбиты является орбита, на которой посещение экватора происходит в полдень/полночь, а также орбита, лежащая в плоскости терминатора (см. анимацию)"
Хотя лежать (оставаться в) плоскости терминатора солнечно-синхронная орбита очевидно не может.
Да и само определение в Википедии неверное, неправильное:
"Со́лнечно-синхро́нная орби́та (иногда именуемая гелиосинхронной[1]) — геоцентрическая орбита с такими параметрами, что объект, находящийся на ней, проходит над любой точкой земной поверхности приблизительно в одно и то же местное солнечное время. "
Можно разобрать почему это определение не годится.
Увы, Википедия сеет ошибки, хотя идея была обратная - давать верные данные) но из-за дилетантства авторов Вики, увы, она насыщенна неверным и изобилует ложными данными.-
Не переживайте, я всегда рад Вашим поправкам и уточнениям. Так что смело комментируйте мои статьи :)
По поводу Википедии: один из её главных принципов - "Правьте смело!" Я сам, когда вижу какие-то ошибки или неточности, всегда стараюсь поправить. Но до всего руки не доходят. Вы правы в том, что в Википедии немало ошибок. И всё же, на мой взгляд, её положительная роль в распространении знаний несомненна. Просто нужно учитывать все эти особенности и не воспринимать её как истину в последней инстанции :)-
Спасибо :) если вам интересно, прокомментирую для вашего понимания ) ошибка определения ССО (солнечно-синхронной орбиты) Википедии:
"объект, находящийся на ней, проходит над любой точкой земной поверхности приблизительно в одно и то же местное солнечное время"
На самом деле здесь в качестве определения типа орбит взято частное следствие одного из вариантов ССО, которое, конечно, определением всего типа орбит ССО быть поэтому не может.
Над любой точкой земной поверхности в примерно равное солнечное время (примерность происходит из-за небольшой эллиптичности орбиты Земли) спутник проходит на КРУГОВЫХ ССО.
Однако круговые ССО достигают лишь высот порядка 1250 км, далее которых они ложатся в плоскость экватора и поэтому теряют прецессионные свойства (прецессия экваториальных, как и полярных орбит, нулевая), переставая от этого быть солнечно-синхронными.
Существуют, однако, гораздо более широкий класс эллиптических ССО, с апогеем, достигающим 12-14 тысяч километров (далее которых они также ложатся в плоскость экватора и теряют свойство прецессии и синхронность с годовым солнечным оборотом).
На этих высокоэллиптических ССО местное время подспутниковой точки остаётся неизменным только для точки перигея, или для узлов - точек прохождения экватора, причем либо для восходящего узла, либо для нисходящего, только одного из узлов (зависит от ориентации эллипса орбиты в её плоскости - аргумента перигея). Для остальных точек трассы (наземной проекции орбиты) эллиптической ССО местное время в подспутниковой точке будет разным при повторном витке.
Из-за непонимания баллистки ССО это самое "в любой точке" перекочевало из следствия частного случая - круговых ССО - в определение самого типа ССО. Что, конечно, неверно, является профанацией, и опровергается эллиптическими ССО.
Верное определение ССО - это тип орбит, плоскость которых ориентирована неизменно по направлению к Солнцу. Или, что то же самое, угол между перпендикуляром к плоскости орбиты ССО и направлением на Солнце остаётся неизменным (в пределах малых годовых вариаций, вызванных эллиптичностью земной орбиты).
А то же солнечное время в ЛЮБОЙ подспутниковой точке ССО - это лишь следствие и лишь для круговых ССО, и никак не может быть определением самого типа солнечно-синхронных орбит, суть которых вовсе не в местном времени в подспутниковых точках на всей трассе полёта.
-
-
Что касается плоскости терминатора - тут всё очевидно: плоскость терминатора в дни солнцестояния имеет наклонение 23,44 градуса от полюса - а в дни равноденствий проходит точно через полюс Земли. То есть плоскость терминатора дважды за год "гуляет" на 23,44 градуса от полюса и обратно. В то время как наклонение плоскости околоземной орбиты (в том числе ССО) за год остаётся неизменной, дрейфуя лишь под действием Солнца, Луны, Юпитера, и тд. Прецессия плоскости орбиты из-за несферичности Земли, вращающая плоскость орбиты, никак не действует на наклонение орбиты, не меняет наклонения.
Если бы ССО должны была удерживаться в плоскости терминатора, это можно сделать только реактивными усилиями двигателей спутника, с большими затратами дельта-V, характеристической скорости, и топлива. Но при этом орбита очевидно перестанет быть солнечно-синхронной, поскольку изменившееся наклонение (для данной высоты) изменило бы и скорость годовой прецессии её плоскости, прекратив синхронность её поворота с годовым оборотом Земли вокруг Солнца.
То есть, строго говоря, плоскость любой ССО (с наклонением до 90 + 23,44 градуса, но не более) совпадает с плоскостью терминатора лишь на мгновение два раза в год. Точный день этого совпадения определяется наклонением конкретной ССО. Если наклонение ССО больше 113,44 градуса (предельное наклонение плоскости терминатора) , то её плоскость никогда не совпадёт с плоскостью терминатора, отклоняясь от терминатора сильнее к экватору. Причем плоскости ССО всегда две, различающихся на отклонение от полюса - они образуют "бабочку", двойственность плоскостей, смотря с какой долготы ( плюс-минус 180 градусов) запускается спутник.
Но при относительно небольшом несовпадении трасса (наземная проекция) ССО находится примерно в широкой полосе сумеречной зоны (утренней - вечерней) на поверхности Земли. Располагаясь при этом под углом к (медленно гуляющей) плоскости терминатора, но оставаясь (из-за высоты) в непрерывном солнечном освещении бОльшую часть года.
Прошу прощения если вышло длинно - хотел чтобы было понятнее.
-
Последние новости
Самолет Старгейзер с подвешенной к днищу ракетой «Пегас», несущей на себе IRIS. Фото с сайта nasa.gov