Научно-техническое обоснование космического эксперимента Гидроксил на РС МКС. НТО 1. Научнотехническое обоснование космического эксперимента "гидроксил" на российском сегменте международной космической станции
 Скачать 315.76 Kb.
|
|
Приложение Научно-техническое обоснование космического эксперимента "ГИДРОКСИЛ" на российском сегменте международной космической станции 1. Сущность исследуемой проблемы. Проект направлен на решение трех фундаментальных проблем физики верхней атмосферы I. Геофизическая проблема - выявление статистически значимых закономерностей долговременной изменчивости гидроксильного излучения и излучения зеленой линии атомарного кислорода и связь их со структурными параметрами атмосферы. II. Физико-химическая проблема - установление физико-химических механизмов и констант скоростей, определяющих интенсивность колебательно-вращательных полос гидроксильного излучения в условиях верхней атмосферы III Научно-прикладнаяпроблема - разработка методов применения данных по гидроксильным и кислородным эмиссиям для задач прогнозирования землетрясений и предупреждения о чрезвычайных ситуациях, связанных с некоторыми типами природных и техногенных катастроф, а также для исследования и моделирования процессов, связанных с проблемой глобального потепления. В результате исследований на первом этапе будет создана эмпирическая модель, позволяющая прогнозировать интенсивности гидроксильного и кислородного свечений для заданных гелио - и геофизических условий. Далее, полученные эмпирические закономерности будут использованы для разработки теоретической модели, которая будет основана на правильном кинетическом механизме гидроксильного свечения и подтверждена наблюдениями свечений гидроксила OH(v) и кислорода (O 1 S) (далее О * ) на РСМКС. Решение поставленных целей будет достигнуто проведением следующего комплекса исследований: - проведение на станции измерений абсолютных интенсивностей свечений OH(v) и О * , позволяющих получить пространственное (вертикальное и широтное) распределение этих свечений; - дальнейшее развитие экспериментальных (в том числе, лабораторных) и теоретических исследований динамики элементарных процессов и химической кинетики радикалов OH(v=l-9) при мезосферных температурах; - взаимное согласование результатов космических экспериментов (КЭ), лабораторных и теоретических исследований и построение полной кинетической модели гидроксильного свечения; - разработка методики применения результатов наблюдений гидроксильного свечения для определения концентрации атомарного кислорода O( 3 Р) в области высот 80-93 км и сопоставление этих концентраций с измерениями по наблюдениям зеленой линии атомного кислорода в частично перекрывающейся области высот 88-105 км; - измерения температуры мезопаузы по относительным населенностям индивидуальных колебательно-вращательных линий излучения гидроксила; - сопоставление результатов долговременных измерений изменчивости свечений с кинетической и эмпирической моделями эмиссий гидроксила и атомарного кислорода с целью проверки, уточнения и согласования окончательной формулировки эмпирической модели эмиссий. 2. Краткая история и состояние вопроса в настоящее время. Гидроксильное свечение применяется для измерения температуры и концентрации малых составляющих мезосферы и для исследования природы внутренних гравитационных волн. Несмотря на большую практическую значимость и почти 50-летнюю историю его исследований кинетический механизм свечения до сих пор остается количественно невыясненным, что серьезно ограничивает область применения гидроксильного свечения для практических целей. В ИХФ РАН проведены комплексные исследования механизма гидроксильного свечения. Был предложен гипотетический набор констант скорости колебательной релаксации OH(v) при столкновениях с N 2 , О2, О. Тем не менее, работа еще далека от завершения, так как предложенный механизм нуждается в более серьезной проверке, основанной прежде всего на прямых спутниковых наблюдениях пространственного распределения OH(v) в мезосфере Параллельно с этими исследованиями в ИФА РАН были проанализированы многолетние наблюдения вариаций гидроксильного излучения мезопаузы (вращательной и колебательной температур, полной интенсивности и высоты излучающего слоя). В результате были предложены эмпирические аппроксимации поведения этих параметров, позволяющие осуществлять их количественное прогнозирование. Сопоставление результатов кинетических расчетов населѐнностей OH(v) с населѐнностями прогнозируемыми по эмпирической модели указывает на необходимость дальнейшего развития обеих моделей. 3. Необходимость проведения КЭ в условиях космического пространства в составе PC МКС. Необходимость космических экспериментов вызвана большой значимостью гидроксильного излучения как с точки зрения химической динамики взаимодействия OH(v) с основными компонентами атмосферы N 2 , О2, О, так и с точки зрения обоснования разнообразных применений этого свечения в геофизических измерениях К сожалению, существующая информация о механизме гидроксильного свечения не полна, а имеющиеся константы скорости определены при температуре 300 К, которая значительно выше мезосферной температуры (130-250 К). Постановка экспериментов в условиях космоса с одновременным измерением высотных профилей населенностей OH(v, J) и концентрации О( 3 Р)позволит расширить знания о механизме процессов и константах скорости, определяющих интенсивность гидроксильного свечения и тем самым сделать надежными проводимые с его помощью дистанционные измерения параметров атмосферы. Результаты длительных космических наблюдений позволят также создать надѐжную эмпирическую модель гидроксильного свечения и привести еѐ в соответствие с кинетической схемой процессов с участием OH(v). 4. Описание космического эксперимента Одновременные измерения свечений в различных линиях необходимо проводить в ночной области атмосферы, так как в дневное время суток в этих областях спектра присутствуют другие эмиссии (например, обусловленные молекулярным азотом) атмосферы, которые неизбежно будут подавлять и искажать измеряемый полезный сигнал. Измерения необходимо проводить в направлении лимба вдоль по касательной к излучающему слою с разрешением 1-2 км для получения высотных профилей в заданном диапазоне высот. При этом регистрируемая интенсивность эмиссии будет примерно в 50 раз больше, чем в зените вследствие интегрирования вдоль луча зрения примерно на 500 км. Измеряемые спектральные участки имеют ширину 0,5-1 нм. Регистрацию одновременных вариаций интенсивностей эмиссий верхней атмосферы предпочтительно осуществлять с помощью спектрометров, позволяющих получать детальную спектральную структуру исследуемых эмиссий и исключать, таким образом, фоновое излучение непрерывного спектра, обусловленного атмосферными и внеатмосферными источниками. Альтернативой этому методу могут быть фотометрические измерения с применением узкополосных интерференционных светофильтров Для этого могут быть рекомендованы следующие спектральные характеристики эмиссий и светофильтров: Полоса Линия λ,нм ∆ λ , нм Интенсивность, Рэлей ОН(8,3) Q 1 727,6 0.8 40 Р 3 736,9 0,8 20 ОН(9,4) Q 775,2 1,0 55 R 771,6 1,0 75 ОН(5,1) Q 1 791.5 0,5 80 P 4 806.2 1.0 25 ОН(6,2) P 1 839,9 1,0 90 Р 3 846,5 0,8 70 ОН(7,3) P 1 888,5 1,0 120 Р 3 895,8 1,0 1 1 0 ОН(8,4) P 1 943,9 0,8 150 Р 3 951,9 1,0 140 Р 4 956,5 1,0 90 ОН(3,0) P 1 987,2 1,0 350 P 2 991,5 1,0 350 Р 3 996,3 0.5 220 ОН(9,5) P 1 1008,2 0,8 210 P 4 1022,2 0,5 140 ОН(4,1) P 1 1037,3 0,8 700 Р 4 1052,6 1,0 2 4 0 ОН(5,2) P 1 1092,3 2,0 200 Р 3 1102,8 2,0 700 а также эмиссия атомарного кислорода 557.7 нм, I-200 Рэлей. Рекомендуемые характеристики интерференционного фильтра: λ 0 =557,7нм, ∆ λ =0,5 нм. В этом случае интенсивность фонового сигнала от непрерывного свечения земной атмосферы и звезд может составить 10-15 Рэлей 5. Новизна, оценка качественного уровня по сравнению с аналогичными отечественными и зарубежными исследованиями. Измерения со спутников по такой программе до настоящего времени не проводятся. На сегодняшний день со спутника UARS (Канада, США, Франция) определяется только интенсивность, вращательная температура полосы ОН(8,3) и высота слоя. В России такие исследования не проводились и не ведутся. На территории России и стран бывших республик СССР возможно осуществление одновременных наземных подспутниковых измерений, например, в Звенигороде на базе Института физики атмосферы (ИФА РАН). 6. Ожидаемые результаты. Одновременные спутниковые измерения населѐнностей колебательных уровней OH(v) и концентрации кислорода, а также сопутствующие лабораторные измерения и теоретические расчѐты констант скорости позволят установить кинетический механизм гидроксильного свечения, что обеспечит достоверность измерения аэрономических и геофизических величин. На основе измеренных характеристик эмиссий OH(v) и О * можно будет получить следующие сведения о параметрах атмосферы на высотах 80-100 км: 1. Высотное распределение температуры. 2. Высотное распределение атомарного кислорода. 3. Планетарные неоднородности этих распределений, позволяющие выявлять глобальные планетарные волны, проникающие на эти высоты из нижних слоев атмосферы, а также исследовать влияние подстилающего рельефа - орографический эффект. 4. Систематические измерения позволят выявить тенденции развития глобальных климатических изменений характеристик атмосферы и их связь с эволюцией солнечной активности и антропогенными процессами. 7. Ожидаемый эффект от выполнения КЭ, методика его оценки. Космические исследования кинетического механизма гидроксильного свечения и база накопленных на РСМКС данных по свечениям OH(v) и О * станут основой для проверки, обоснования и доработки эмпирической модели гидроксильного и кислородного свечения Это может сделать их пригодными для прогнозирования интенсивностей свечений при заданных гелио- и геофизических условиях При длительной работе PC МКС такое прогнозирование могло бы быть проверено во время полѐта станции. Одним из важнейших ожидаемых результатов является изучение возможностей предсказания землетрясений, а также некоторых типов техногенных катастроф, с помощью комплекса геофизической аппаратуры КЭ "Сейсмопрогноз" и одновременной регистрации свечения OH(v) и О * в сейсмоопасных районах. Научный руководитель эксперимента, Директор ИЗМИРАН д.ф.-м.н В. Д. Кузнецов Научный со-руководитель эксперимента, Заведующий лабораторией НИИ ПФП профессор Б. И. Беляев Научный со-руководитель эксперимента, Заведующий лабораторией ИФА РАН д.ф.-м.н А. И. Семенов Научный со-руководитель эксперимента, Заведующий лабораторией ИХФ РАН профессор Ю. М. Гершензон Ответственный исполнитель эксперимента Заведующий лабораторией ИЗМИРАН д.ф.-м.н В. М. Синельников |