V

5. ВАЖНЕЙШИЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ЗАВЕРШЕННЫХ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ И ТЕОРЕТИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЙ

Важнейшие результаты научных исследований, рекомендованные ученым советом Института космических исследований в отчет РАН, доклады Президента РАН и академика-секретаря ОФН:

Детальные измерение спектра аннигиляции позитронов в центральной области Галактики обсерваторией ИНТЕГРАЛ.

Важнейшим результатом работы обсерватории ИНТЕГРАЛ, запущенной на орбиту с космодрода Байконур в конце 2002 года, стало детальное измерение спектра аннигиляции позитронов в центральной области Галактики. Уникальной, по сравнению с другими работающими орбитальными обсерваториями, является способность обсерватории ИНТЕГРАЛ регистировать ядерные гамма-линии на энергиях от 50 кэВ до 8 МэВ с разрешением в несколько кэВ. Около четверти наблюдательного времени этой международной обсерватории (совместный проект Европейского космического агентства, России и США) принадлежит российским ученым. Значительная часть этого времени была использована для тщательного исследования области Центра нашей Галактики и поиску аннигиляционного излучения позитронов. На Рис.1 показана сглаженная карта излучения нашей Галактики в линии аннигиляции позитронов, полученная в ИКИ РАН. Яркое пятно в центре карты соответствует центральной области Галактики. Детальные измерения показывают, что большая часть излучения сосредоточена в области размером менее 10 градусов вокруг динамического центра Галактики. По полному измеренному потоку излучения было показано, что в этой области каждую секунду аннигилирует около 10⁴³ позитронов.

Рисунок 1: Сглаженная карта излучения Млечного Пути в линии 511 кэВ по данным обсерватории ИНТЕГРАЛ. Центральное яркое пятно соответствует области Галактического центра.

На Рис.2 представлен спектр аннигиляционного излучения, полученный обсерваторией ИНТЕГРАЛ, позволяющий получить уникальную информацию о свойствах среды, в которой происходит аннигиляция позитронов. Позитроны практически всегда рождаются "горячими", с кинетической энергией, сравнимой с их массой покоя. В межзведной среде позитроны постепенно остывают и затем формируют "атомы" позитрония - аналог атома водорода, в котором протон заменен на позитрон. В зависимости от полного спина позитрония он распадается на два или три фотона, что приводит к появлению двух компонент в наблюдаемом спектре - узкой линии на энергии 511 кэВ (распад на два фотона, красная кривая на Рис.2) и широкому континууму на более низких энергиях (трех-фотонный распад, синяя кривая). По данным обсерватории ИНТЕГРАЛ энергия узкой линии равна 510.988 кэВ и совпадает с энергией покоя позитрона (или электрона) с точностью до сотой доли процента. Это позволяет утверждать что скорость движения среды, в которой происходит аннигиляция позитронов, относительно Земли не превышает 30 км/с. По ширине линии и относительной яркости трех-фотонного континуума было показано, что аннигиляция позитронов происходит в теплой (~10000 град) частично ионизованной межзвездной среде. Точность измерений, выполненных обсерваторией ИНТЕГРАЛ является рекордной на сегодняшний день. Эти измерения, в частности, накладывают ограничения на сечение аннигиляции частиц темной материи, а также на другие, менее экзотические теоретические модели образования позитронов в Галактике, включая рапад радиоактивных элементов при взрывах сверхновых, рождение позитронов вблизи черных дыр и быстро вращающихся нейтронных звезд или при взаимодействия космических лучей с обычным веществом.

Рисунок 2: Спектр аннигилационного излучения позитронов, измеренный обсерваторией ИНТЕГРАЛ из области Галактического центра. Красной линией показан профиль линии 511 кэВ, возникающий при двух-фотонной аннигиляции. Синей линией показан спектр трех-фотонного рапада позитрония.

- Е.М.Чуразов, Р.А.Сюняев, С.Ю.Сазонов, М.Г.Ревнивцев, Д.А.Варшалович "Спектр аннигиляции позитронов из области центра Галактики по данным обсерватории ИНТЕГРАЛ", MNRAS, 357, 1377, 2005

Эффекты спиральности в динамике пограничного слоя атмосферы.

Успешное развитие получило направление работ по исследованию зеркально-несимметричной турбулентности, начатое в ИКИ РАН в 80-е годы по инициативе С.С. Моисеева. С целью получения данных о природной спиральной турбулентности по инициативе ИКИ РАН и ИФА РАН им. А.М.Обухова впервые выполнены измерения турбулентной спиральности в пограничном слое атмосферы (проводились одновременные измерения всех трех компонент скорости и завихренности, а также температурных профилей). Анализ полученных данных, относящихся к пространственным масштабам 1-100 м, показал присутствие турбулентной спиральности в атмосферном пограничном слое на уровне 0.02 ¸ 0.03 м/с², и степенной наклон спектра спиральности близкий к значению “-5/3”, что согласуется с известными теоретическими представлениями о каскадах спиральности.

Построена самосогласованная полуэмпирическая модель атмосферного пограничного слоя с учетом температурной стратификации и турбулентной спиральности, согласующаяся с полученными данными и проанализировано влияние турбулентной спиральности на изменение профилей крупномасштабной скорости, уменьшение угла поворота ветра и показывающая появление дополнительных аномальных поперечных потоков тепла и импульса на границе с приземным слоем.

В рамках построенной модели рассмотрено влияние фоновых сдвиговых конвергентных течений пограничного слоя на генерацию интенсивных вихрей. Обнаружено, что спиральность способствует интенсификации вихря и перераспределению вращательного момента - возбуждается азимутальная компонента завихренности, характерная для многих интенсивных вихрей, но обычно, не воспроизводимая в известных моделях.

- О.Г. Чхетиани. Интенсификация завихренности в турбулентных течениях со спиральностью. - Известия РАН, Физика атмосферы и океана, т.41 (2), с.161-171, 2005.

- В.М.Пономарев, О.Г. Чхетиани. Полуэмпирическая модель пограничного слоя атмосферы с параметризацией влияния турбулентной спиральности. - Известия РАН, Физика атмосферы и океана, т.41 (5), с.418-432, 2005.

- Б.М.Копров, В.М.Копров, В.М.Пономарев, О.Г. Чхетиани. Измерение турбулентной спиральности и ее спектра в пограничном слое атмосферы. - ДАН, т.403 (5), с.627-630, 2005.

Открытие марсианской авроры и нового типа атмосферного свечения помощью спектрометра SPICAM на борту спутника Mars Express

Свечения на ночной стороне планеты Марс впервые исследованы с орбиты. Открыта авроральная активность и новые свечения полос окисла азота.

На высоких широтах Земли авроральные свечения возникают в результате высыпания заряженных частиц вдоль силовых линий магнитного поля и их взаимодействия с нейтральной атмосферой. Авроальная активность наблюдалась на планетах-гигантах (Юпитере, Сатурне, Уране и Нептуне), обладающих сильным магнитным полем. На ночной стороне Венеры, планеты без магнитного поля, наблюдалось свечение в полосах атомарного кислорода. После открытия космическим аппаратом Mars Global Surveyor остаточной намагниченности марсианской коры была выдвинута гипотеза, что заряженные частицы могут прорываться вдоль силовых линий магнитного поля, идущих от поверхности планеты к солнечному ветру. Первое наблюдение марсианского сияния возникающего при высыпании таких частиц проведено при помощи прибора SPICAM с российским участием на борту европейского космического аппарата Mars Express. Наблюдаемая со спутника Mars Express аврора соответствует особому типу сияния, ранее не известному в Солнечной системе. Она отличается от активности на Земле и планетах-гигантах, наблюдаемой вблизи магнитных полюсов, и от венерианских сияний, размытых по диску планеты. Аврора на Марсе представляет собой сильно локализованное свечение, связанное с магнитными аномалиями марсианской коры. В ультрафиолетовом спектре ночного неба Марса зарегистрирован спектр аврорального свечения в диапазоне 118-310 нм, состоящий преимущественно из свечений СО и ионизованного СО₂. Вне вспышки наблюдалось свечение в полосе окисла азота NO (190-270 nm), ранее неизвестное на Марсе. Аврора наблюдалась на высоте 115-145 км, размер светящейся области по горизонтали около 30 км. Длительность вспышки – не менее 8с. Географическое положение зарегистрированной вспышки соответствует максимуму намагниченности коры Марса в соответствии с данными космического аппарата Mars Global Surveyor.

Рис.1 Временная зависимость интенсивности ночного свечения атмосферы Марса. Оно содержит эмиссию водорода Лайман-альфа и структурированную полосу (190–270 nm), соответствующую NO (ранее на Марсе не наблюдалась). На 535 с наблюдений наблюдается пик интенсивности, спектры которого существенно отличаются от обычного спектра NO, и содержат полосы СО и ионизованного СО₂.

Эксперимент SPICAM (Spectroscopy for the Investigation of the Characteristics of the Atmosphere of Mars) на космическом аппарате Mars Express состоит из двух спектрометров ультрафиолетового и ближнего инфракрасного диапазонов. Прибор построен усилиями трех организаций во Франции, в Бельгии и в Институте космических исследований в Москве. Изготовление российской части аппаратуры и участие в управлении экспериментом финансируется Роскосмосом.

- Bertaux, J.-L., F. Leblanc, O. Witasse, E. Quémerais, J. Lilensten, A.S. Stern, B. Sandel, and O. Korablev, Discovery of aurora on Mars, Nature 435, 790-794, doi:10.1038, 2005.

- Bertaux J.-L., F. Leblanc, S. Perrier, E. Quemerais, O. Korablev, E. Dimarellis, A. Reberac, F. Forget, P.C. Simon, A.S. Stern, B. Sandel and the SPICAM team. First observation of nightglow in the upper atmosphere of Mars: the NO bands in UV and implications for atmospheric transport. Science 307, 566-569, 2005

- Д.ф.-м.н. О.И. Кораблев, к.ф.-м.н. А.А. Федорова, к.ф.-м.н. А.В. Родин,

- korab@iki.rssi.ru 3335434

Механизм барстерной структуры Аврорального Километрового Излучения.

Авроральное Километровое Излучение (АКР), одно из наиболее мощных нетепловых излучений, генерируемых в магнитосферах планет, имеет регулярную и барстрерную (вспышечную) составляющие. По результатам статистической обработки измерений АКР в эксперименте ПОЛЬРАД на спутнике ИНТЕРБОЛ-2 найден физический механизм генерации барстеров.

Источником энергии АКР являются энергичные электроны (несколько кэВ), инжектируемые их хвоста магнитосферы во внутренние области. В авроральной магнитосфере развивается циклотронная мазерная неустойчивость, в результате которой генерируется электромагнитное излучение вблизи локальной гирочастоты электронов. Условием развития мазерной неустойчивости является низкая концентрация фоновой плазмы - ω_p /ω_B < 0.3, плазменная частота должна быть меньше, чем гирочастота электронов.

Часть энергичных частиц попадают в ионосферу и, сталкиваясь с ионосферными частицами, отдают свою энергию. В результате этого концентрация и температура ионосферной плазмы в этой области возрастает, что приводит к увеличению потока частиц из ионосферы в магнитосферу. Эти частицы достигают области генерации АКР и подавляют развитие неустойчивости. Таким образом происходит самоподавление интенсивности АКР с характерным временем, за которое разогретая ионосферная плазма достигает области генерации (500-1000 секунд).

Результаты эксперимента и теоретические оценки находятся в хорошем соответствии.

- Могилевский М.М., Моисеенко И.Л., Ханаш Я., Изменение спектра и длиннопериодные вариациии интенсивности Аврорального Километрового Излучения по измерениям на спутнике ИНТЕРБОЛ-2, Письма в АЖ, 2005, том 31,№6, с. 474–479

- Moiseenko I.L., The Auroral Kilometric Radiation and Magnetosphere-Ionosphere Coupling, Proceedings of “Week of Doctoral Students 2005”, in press.

- к.ф.-м.н.M.M. Могилевский, 333-14-33; И.Л. Моисеенко mogilevsky@romance.iki.rssi.ru

Выявление нового биотропного агента солнечной активности

Выявлен новый агент геомагнитной активности, который может оказаться наиболее эффективным среди всех рассматривавшихся ранее факторов солнечной активности, оказывающих влияние на биологические объекты, включая человека.

В исследованиях, проводимых в ИКИ РАН с кооперацией институтов РАН и РАМН ранее было показано, что основной биологической мишенью для воздействия гелиогеомагнитной активности является сердце и сердечно-сосудистая система. Поскольку биологическая эффективность магнитных бурь даже сходной интенсивности оказывается различной, было высказано предположение, что это различие определяется различием «волновых почерков» отдельных бурь. Из литературы известно, что экспозиция людей в электромагнитных полях низкой и очень низкой частоты вызывает стабилизацию сердечного ритма, которая может приводить к внезапной смерти от аритмии и к развитию инфаркта миокарда. Поэтому предложена гипотеза, в соответствии с которой микропульсации геомагнитного поля во время геомагнитных возмущений в диапазоне частот ритмов сердца (0.5-2 Гц), а именно Рс 1, являются основным биотропным фактором магнитных бурь. Эти пульсации наблюдаются примерно в 50% магнитных бурь, характерны для восстановительной фазы и наблюдаются также перед начальной фазой магнитной бури. Они могут одновременно охватывать многие географические долготы. Суточный ход Рс 1 имеет максимум в ранние утренние часы, а сезонный ход - в зимнее время, в то время как максимум появления геомагнитных возмущений отмечается в весенний и осенний периоды.

Проводился сравнительный анализ данных о вызовах медицинской скорой помощи в г. Москва (1979-1981гг.) по поводу инфарктов миокарда, внезапной смерти в Болгарии (за 15 лет) отдельно для городов и сел, и данных о длительности существования микропульсаций Рс1 (по каталогам обсерватории «Борок» Ярославской области). Показано, что присутствие микропульсаций во время геомагнитных возмущений в 70% случаев сопровождалось аномальным возрастанием числа инфарктов миокарда в Москве и одновременно возрастанием числа внезапных смертей в обоих населенных пунктах Болгарии. Коэффициент корреляции между ежемесячным количеством инфарктов миокарда в Москве и внезапной смертью от инфаркта в Болгарии был R=0.84. Появление микропульсаций иногда за сутки до начала магнитной бури может быть причиной наблюдающего в это время аномального возрастания числа инфарктов, не получавшего ранее убедительного объяснения. Сезонные вариации числа инфарктов и внезапной смерти имеют сходство с сезонным ходом длительности Рс1 с максимумом в зимнее время, когда даже умеренные магнитные возмущения с Рс 1 оказываются биотропными. Оказалось, однако, что в летнее время даже сравнительно редкие сильные магнитные бури с Рс1 могут не сопровождаться аномально большим числом инфарктов миокарда. Предполагается, что фактором, усиливающим влияние геомагнитных возмущений в зимнее время, является возрастающая в это время года неустойчивость организма, вызываемая изменением продукции гормона эпифиза – мелатонина из-за недостаточности освещенности.

(работа выполнена ИКИ РАН совместно с ИФЗ РАН и ММАим.И.Сеченова).

Рис.1. Сопоставление ежемесячных вызовов скорой помощи в Москве за три года по поводу инфарктов миокарда (верхняя панель) с данными обсерватории «Борок» по пульсациям Рс1 (нижняя панель).

- Бреус Т.К., Клейменова Н.Г., Козырева О.В., Рапопорт С.И., Возможное биотропное влияние геомагнитных пульсаций Рс1 (0.2-5.0) на сердечно-сосудистую систему, Материалы 3-ей международной конференции «Болезни цивилизации в аспекте учения В.И.Вернадского», Москва, 10-12 Октября 2005г, Из-во РУДН, с. 50, 2005;

- Клейменова Н.Г. , Козырева О.В., Бреус Т.К., Раппопорт С.И.,Сезонные вариации инфарктов миокарда и возможное биотропное влияние коротопериодных пульсаций геомагнитного поля на сердечно-сосудистую систему, Биофизика, 2005, принято в печать).

- (д.ф.-м.н., Т.К.Бреус, т. 333-30-12, breus36@mail.ru;