В статье, приуроченной к 300-летию Российской академии наук, директор Института земного магнетизма, ионосферы и распространения радиоволн им. Н.В. Пушкова РАН (ИЗМИРАН) Владимир Кузнецов рассказал о приборной базе и программах академических институтов РАН, участвующих в решении задач солнечно-земной физики. Предлагаем вашему вниманию полный текст статьи.

Отмечая 300-летие Российской академии наук и её огромный вклад в развитие знаний и познание окружающего мира за всю многолетнюю её историю, несомненно, возникает желание отметить и выделить те из них, которые приходятся на современную эпоху и которые демонстрируют неиссякаемый высокий потенциал самой академии и тенденции быть на переднем крае науки, развивать её новые и перспективные направления.

С началом космической эры изучение космоса наряду с традиционными наземными астрономическими наблюдениями стало возможным на космических аппаратах, и во всех отношениях Российская академия наук играла здесь ключевую роль, касалось ли это космической техники или самих фундаментальных исследований космоса. Так, более чем 300-летний период научных исследований Солнца и солнечно-земных связей, начатых Галилеем и другими исследователями, был продолжен использованием солнечных космических телескопов и других наблюдательных средств, давшим существенный и качественный скачок в познании Солнца, его активности и воздействия на Землю. Измерения рентгеновского и ультрафиолетового излучения Солнца, недоступные с поверхности Земли, частиц солнечного ветра, испускаемых из атмосферы Солнца и т.д., энергичных частиц от солнечных вспышек и других агентов солнечной активности, всё это заметно расширило представления в нашем светиле, и за последние десятилетия наиболее значимые результаты в этой области были получены именно с помощью космических аппаратов.

Заметный вклад в эту область исследований был внесён программой КОРОНАС (проекты КОРОНАС-И (1996-2001), КОРОНАС-Ф (2001-2005), КОРОНАС-ФОТОН (2009), реализованной в рамках Федеральной космической программы РФ, и наиболее удачным проектом КОРОНАС-Ф (рис. 1), реализованным с участием широкой кооперации российских (ИЗМИРАН, ФИАН (в кооперации с ИПФ РАН, ИФМ РАН), ИКИ РАН, ФТИ РАН, НИИЯФ МГУ, МИФИ, ИПГ) и зарубежных организаций при головной роли РАН (ИЗМИРАН), и удостоенного премии Правительства РФ (2008). В рамках этого проекта был создан уникальный комплекс научной аппаратуры из 15 приборов (рис. 2), измерительные диапазоны которых покрывали широкий спектр энергий и длин волн — от оптического до гамма. С его помощью были проведены исследования пространственно-временной структуры явлений солнечной активности, механизмов нагрева солнечной короны, зарегистрированы экстремальные события на Солнце на фазе спада 23 цикла солнечной активности — мощнейшие вспышки и выбросы и сопутствующие им явления на Солнце и на Земле.

На основе наблюдений не имеющим в мире аналога спектрогелиографом РЕС-К (ФИАН) в резонансной линии MgXII (8.42А) в солнечной короне был обнаружен и исследован целый класс новых явлений — быстродинамичных плазменных образований с температурами до 20 млн. градусов (рис. 3), которые связаны с выбросами массы из атмосферы Солнце, приводящими к возникновению магнитных бурь на Земле.

С использованием солнечного рентгеновского телескопа (ФИАН) изучена зависимость от уровня солнечной активности плотности и состава земной атмосферы, пропускание атмосферой Земли рентгеновского излучения Солнца (рис. 4).

Многоканальным спектрофотометром ДИФОС (ИЗМИРАН) зарегистрированы собственные моды (р-моды) глобальных колебаний Солнца в широком диапазоне длин волн (рис. 5) и обнаружен существенный рост амплитуды колебаний в ультрафиолетовой части спектра (рис. 6).

Рентгеновским спектрометром РПС-1 (ИКИ РАН) получены новые данные о нагреве солнечной короны и спектрах рентгеновского излучения (рис. 7), воздействующего на атмосферу Земли.

С помощью комплекса приборов (спектрометр гамма-излучения СОНГ, монитор космических лучей МКЛ, спектрометр космического излучения СКИ-3 (НИИЯФ МГУ) осуществлена регистрация высокоэнергичного гамма-излучения и потоков энергичных нейтронов у Земли от мощных вспышек октября-ноября 2003 года (рис. 8), зафиксированы распадные процессы рождённых во вспышке пионов и мюонов, изучена динамика радиационных поясов Земли и проникновение энергичных солнечных частиц в магнитосферу в периоды сильных геомагнитных возмущений (рис. 9).

По данным наблюдений вспышечным спектрометром ИРИС и гамма-спектрометром ГЕЛИКОН исследована импульсная фазы вспышек: получены динамические рентгеновские (рис. 10) и гамма (рис. 11) спектры, определены характерные периоды колебаний плазмы на разных стадиях вспышки, отражающие изменение физических условий в активной области.

Амплитудно-временным спектрометром АВС (МИФИ) изучены ускорительные и ядерные процессы в солнечных вспышках, зарегистрированы гамма-линии от ядерных реакций во вспышках (рис. 12), по которым определено содержание в солнечной атмосфере различных химических элементов и их изотопов, определён первичный спектр ускоренных во вспышке протонов, изучены высыпания энергичных частиц из радиационных поясов Земли в атмосферу в приэкваториальных областях земного шара, которые характеризовались заметным увеличением фона радиации и длительным временем жизни (рис. 13).

По наблюдениям в УФ диапазоне с помощью солнечного ультрафиолетового (УФ) радиометра СУФР и солнечного УФ спектрофотометра ВУСС (ИПГ) измерены потоки УФ излучения Солнца и определен вклад самых мощных вспышек в общий УФ поток, как правило, не превышающий нескольких процентов в наблюдаемой полосе (вблизи 120 нм) (рис. 14), разработана методика определения содержания молекулярного кислорода — одного из основных компонентов атмосферы, важного для построения современной модели атмосферы Земли.

Спектрофотометром ДИАГЕНЕСС и рентгеновским спектрометром РЕСИК (Центр космических исследований Польской академии наук) изучены атомные процессы в солнечных вспышках и выполнена обширная спектроскопическая диагностика вспышечной плазмы (рис. 15): впервые измерены и изучены полно-профильные спектральные линии от самых мощных вспышек; обнаружены новые спектральные линии в солнечном спектре, в том числе, впервые обнаружены и изучены спектральные линии ионов солнечной плазмы для высоких значений квантовых чисел n; определено абсолютное содержание ряда химических элементов в короне Солнца.

Сложившаяся кооперация при реализации программы КОРОНАС заложила основы для дальнейшего развития космических исследований в области гелиофизики, что нашло своё отражение в разработке новых и перспективных проектов АРКА (рис. 16) и Интергелиозонд (рис. 17) Федеральной космической программы, направленных на решение актуальных задач солнечно-земной физики. Активность Солнца непрерывно воздействует на Землю и околоземное космическое пространство, формируя космическую погоду, и задача понять, как устроено и как работает Солнце, изначально была одной из приоритетных в программах Российской академии наук на современном этапе развития науки, определяя её передний край в этой области фундаментальных исследований.

Текст: Владимир Кузнецов.