ARAKS - управляемый или загадочный эксперимент?

ARAKS (искусственное излучение и северное сияние между о. Кергелен и России) — французско-советский проект, направленный на изучение инжекции электронного луча в ионо- и магнитосферу. На первом его этапе был произведен запуск двух ракет «Эридан» с о. Кергелен (70° 2' Вост. 49° 35' Юг) 26 января и 15 февраля 1975 г. Последняя ступень каждой ракеты включала две взаимодействующие друг с другом экспериментальные системы: электронно-лучевую пушку, устройства непрямого изменения потенциала, детекторы потока частиц и отделяемый конус, отбрасываемый со скоростью 40 м*с-1 от головной части ракеты. На этом конусе были размещены антенны, предназначенные для выявления радиоволн, создаваемых электронным лучом при его взаимодействии с ионосферой. Большие усилия были приложены для проведения управляемого эксперимента, в ходе которого нужно было изменять энергию и интенсивность электронного луча, варьировать угол его отклонения во время инжекции, точно определять относительные траектории носового конуса и головной части ракеты. Это удалось осуществить, поскольку предыдущие эксперименты уже дали хорошие результаты. Для выполнения упомянутого эксперимента были созданы многие наземные измерительные стенды, причем важное значение имели оптические и радарные измерения в Северном полушарии, в магнитно-сопряженной точке о. Кергелен, а также сверхнизкие и сверхвысокие частотные измерения в обеих точках. Кроме того, непосредственно перед пуском ракеты «Эридан» над о. Кергелен на высоте -80 км на парашютах помещались рентгеновские датчики, доставленные туда ракетой «Arсas». Следовало убедиться, что никаких крупных геомагнетических возмущений не происходит как до, так и во время работы электронной пушки. Рентгеновский эксперимент проводился Хьюстонским университетом.

Задачи. Изучение инжекции энергетических электронов в верхней атмосфере можно разделить на три темы, причем каждая требует своей методики проведения исследований, хотя все они дополняют друг друга с физической точки зрения. Первая тема — это изучение ионизации и видимых явлений (сияния) в магнитно-сопряженной точке с местом пуска, вторая заключается в исследовании динамики инжектированных частиц, третья состоит в изучении радиоволн, создаваемых электронным лучом, а также влияния взаимодействия волн с частицами на сам луч. Был найден удовлетворительный компромисс между этими задачами и ограничениями, налагаемыми космическим экспериментом. Для определения влияния магнитосферных электростатических полей на траектории частиц выбрали два значения энергии — 15 и 27 кэВ.

Три угла инжекции электронного луча (0, 70, 140°) были использованы для изучения следующих явлений:

- создание искусственного северного сияния и обратного отражения частиц атмосферой в сопряженной точке;

- магнитное отражение в зеркальной точке;

- обратное рассеяние атмосферой инжектированных электронов в Южном полушарии.

Переменную длительность импульсов (0,02, 1,28, 2,56 с) выбрали с целью получения либо точного определения угла инжекции (20 мс), либо большого количества энергии, вводимой в атмосферу (2,56 с и ток 0,5 А). Одна из ракет была запущена на геомагнитный восток для компенсации кривизны и градиентного дрейфа отраженных электронов в магнитном поле. Вторую ракету запустили в направлении на север (26 января), во-первых, для того, чтобы уменьшить размер участка воздействия луча в сопряженной точке и таким образом облегчить наблюдение за световыми явлениями, во-вторых, для получения большей информации от наблюдения за эмиссией луча благодаря лучшей траектории конуса относительно головной части ракеты.

В данной статье основное внимание обращается на результаты, которые по-прежнему остаются проблематичными либо по сравнению с предыдущими экспериментами, либо по отношению к теоретическим идеям, преобладающим в этой области.

Явления, наблюдаемые в точке сопряжения. Климатические условия не позволили провести наземные наблюдения за оптическими эффектами в атмосфере, поскольку первый пуск не состоялся из-за астрономических сумерек, а при втором запуске была слабая облачность. Поэтому выводы делать сложно, и мы можем только констатировать, что яркость искусственного северного сияния в любом случае не превышала седьмую звездную величину (чувствительность телевизионных устройств позволяла фиксировать источники излучения до девятой звездной величины). Тем не менее искусственное сияние четко выявлялось в магнитносопряженных областях при помощи радиолокационных станций импульсного и непрерывного излучений, работавших на частотах 23 и 44 МГц в Костромской и Вологодской областях (в течение всего первого полета и последней трети второго полета). Точность измерения равнялась 2 км в направлении север-юг и 10 км в направлении восток-запад. Для первого запуска результаты хорошо согласуются с прогнозами, сделанными на основании моделей геомагнитных полей POGO (8/71) и GSFC (12/66). Для второго пуска согласование измеренных и теоретически определенных сопряженных точек менее удовлетворительное, однако следует отметить, что показатель магнитной активности был выше во время второго запуска (K1 + 4 VS при K1 = 1 для первого запуска).

Изменение расстояний перпендикулярно визирной линии радарных эхо-сигналов вызывалось боковым движением ракеты во время инжекции электронов. Детальное изучение отраженных радиолокационных сигналов, вызываемых воздействием электронов в нейтральной атмосфере, является более важным. Мы обнаружили наличие двух типов отраженных радиолокационных сигналов, которые можно было различить по вариациям эффекта Допплера, соответствующего вариациям скорости от 30 до 200 м*с-1. Спектры, полученные для низкоскоростного компонента, уже, чем эквивалентные спектры, зафиксированные в естественном радиоизлучении северного сияния.

Удивляет разница во времени между началом инжекции электронов в ионосферу на о. Кергелен и появлением отраженных радиолокационных сигналов в сопряженной точке. На рис. 1 показан разброс запаздывания отраженных радиолокационных сигналов для первого полета при различной длительности последовательностей импульсов пушки и определенных углах инжекции электронов. Расчетное время перехода от одной сопряженной точки к другой достигало 0,65 с для электронов при 27 кэВ, и 0,85 с — для электронов при 15 кэВ. Наряду с чрезвычайно большим временем запаздывания (рис. 1) продолжительность отраженных радиолокационных сигналов превышала длительность соответствующих импульсов пушки (более чем 10 с). Как непредвиденное заранее запаздывание, так и продолжительность отраженных радиолокационных эхо-сигналов могли быть обусловлены или поведением луча вблизи ракеты, или взаимодействием луча и плазмы вдоль траектории луча, или процессами в ионосфере в сопряженных точках.

Инжекция электронов без обратного тока способствует тому, что головная часть ракеты, включая пушку, приобретает очень высокий положительный потенциал, который делает невозможным эмиссию электронов.

Когда такая инжекция происходит в разреженной среде независимо от того, ионизирована она или нет, то существуют процессы, способные создать эти обратные токи (сбор термоэлектронов, ионизация нейтрального газа и т. д.). Для облегчения сбора обратных токов могут быть использованы два метода: либо увеличение поверхности сбора, либо повышение проводимости среды путем инжекции плазмы (аргоновую плазму использовали при экспериментах «Электронное эхо», а цезиевую — в эксперименте ARAKS). Этот эксперимент продемонстрировал, что плазменный источник вызывает значительное возмущение в области головной части ракеты, соответственно оказывая определенное влияние на нейтрализацию пушки.

Автоматическое регулирование усиления (АРУ) сигналов телеметрии головных частей ракет «Эридан» и «Areas» показало подобные возмущения на первой минуте активной фазы эксперимента ARAKS 26 января, хотя частоты телеметрии являются совершенно другими (250 и 1680 МГц), а эти две головные части находились на расстоянии 80 км друг от друга на одной и той же линии геомагнитного поля. Некоторые из этих данных приведены на рис. 2. Сильное возмущение отмечалось в сигнале «Эридан» приблизительно в 2 ч 39 мин 10 с по всемирному времени, когда был включен плазменный источник, и оно стало интенсивнее через 1,5 с во время первого длительного импульса пушки.

Среди электронов, составляющих обратный ток, можно выделить их группу, на всех высотах имеющих большую температуру, чем ионосферная плазма (0...300 эВ), а также другую группу высокоэнергетичных электронов (1...3 кэВ) на больших высотах (>120...130 км). Имеющихся данных, однако, недостаточно, чтобы сделать определенные заключения о потенциале ракеты: -125 В или 1,5...2,0 кВ на высоте 120...130 км. На меньших высотах, согласно результатам измерений, можно сделать вывод, что потенциал ракеты менее 100 В.

Увеличение плотности электронов вблизи ракеты подтверждается существованием высокочастотных радиоволн (10...75 МГц) с широким спектром. На рис. 3 показаны радиошумы на двух частотах (50 и 75 МГц), измеренные на о. Кергелен во время работы электронной пушки. Эти помехи уже были зафиксированы при эксперименте «Зарница-1»; при ARAKS они возникли в направлении, очень сильно отличающемся от перпендикулярного магнитным силовым линиям. Измерения должны совпадать с наличием ореола вокруг ракеты, видимого с Земли, когда она находится на малой высоте. Данные результаты показали, что механизмы нейтрализации, которые существуют независимо от других имеющихся условий, являются чрезвычайно сложными и эти наблюдения не позволяют полностью их понять.

Рассеяние электронов атмосферой. Интенсивные потоки электронов (Е > 8 кэВ) были отмечены на ракете широкоугольными детекторами в процессе работы пушки. При инжекции, направленной вниз, измеренные потоки электронов зависят от угла наклона инжекции и высоты траектории ракеты. Потоки, измеренные на одной и той же высоте, были различными для указанных двух полетов, возможно, из-за большого различия в плотности атмосферы (рис. 4). Интенсивность измеренных потоков и значения, вычисленные при помощи метода Монте-Карло для инжекции, направленной вниз, хорошо согласуются. В случае инжекции, направленной вверх, измеренные интенсивности потоков электронов на несколько порядков выше значений, вычисленных по этому методу. Таким образом, рассеяние электронов кажется важным процессом во время инжекции, направленной вниз, но результаты, полученные при инжекции вверх, пока не поддаются удовлетворительной интерпретации.

Взаимодействие волн и частиц; генерирование волн. Как и предполагалось, электронный луч генерирует радиоволны при проникновении в плазму. Из различных устройств, используемых для изучения волн, генерируемых лучом, мы впервые использовали широкополосную телеметрическую систему, передающую форму волны сигнала частотой до 5 МГц. Таким образом, мы могли измерить развитие во времени волнового спектра при высоком разрешении во временно-частотной области. В диапазоне 0,1...1,0 МГц было обнаружено, что временная структура радиоимпульса точно повторяет структуру импульса пушки, в то время как в случае волн более высокой частоты этого не происходит.

На рис. 5 показана общая характеристика радиоимпульсов (аналогично «сонограмме» ВЧ части принятых волн). Следует отметить, что во время северного участка полета боковое отклонение носового конуса от траектории луча изменялось от 0,2 до 1,5 км. В таблице приведены некоторые результаты этих наблюдений в сравнении с предыдущими.

Для частот, находящихся между частотой плазмы и верхней гибридной частотой, эмиссия, вызванная пушкой, в основном имеет вид фронта волны (рис. 6), вероятно, благодаря когерентной части спонтанного излучения. В «свистящей» моде (whistler mode), т. е. для частот ниже электронной гирочастоты, ARAKS дает важный результат: непрерывное излучение зафиксировано даже при большом расстоянии перпендикулярно лучу. Это позволяет предположить существование некоторых механизмов, при помощи которых часть нестабильных мод, захваченных лучом, преобразуются в излучаемые моды.

Для очень низких частот во время эксперимента ARAKS появляется очень большая разница, которую пока что объяснить не удалось: цезиевый плазменный источник вырабатывает квазимонохроматическую электро-статическую волну (никакая магнитная компонента не обнаруживается), частота которой изменяется от 4,5 до 3,5 кГц. Цезий мог достигнуть отделяемого конуса, где проводились эти измерения.

В заключение можно сказать, что проект ARAKS внес выдающийся вклад в физику плазмы (возникновение неустойчивости плазмы в неограниченном пространстве, вызванное электронным пучком), а также в геофизику (топография геомагнитных полей, аналогия с сверхнизкочастотной помехой VLF hiss). Некоторые из этих вопросов трудно объяснить и нам необходимо их детально изучить, прежде чем утверждать, что мы действительно способны проводить «управляемые» эксперименты.