Космические исследования, 2020, T. 58, № 5, стр. 355-368

ВВЕДЕНИЕ

Предметом настоящей статьи является исследование вспышек УФ излучения с длиной волны 300–400 нм в атмосфере в широком диапазоне по интенсивности и длительности свечения. Техника исследования вспышек с помощью изображающей камеры переживает быстрый прогресс как с точки зрения повышения временного разрешения, так и с точки зрения увеличения апертуры приема фотонов. Это, в свою очередь, позволяет получать изображения вспышек со спутника с высотой отбиты в сотни км. Такая “орбитальная камера” (телескоп) выводит на новый уровень задачи глобального мониторинга атмосферных световых явлений, а также позволяет провести поиск редко встречающихся вспышек, изучение которых требует длительного времени при больших площадях обзора атмосферы. Последняя постановка эксперимента оказалась актуальной при изучении энергетического спектра космических лучей за т.н. пределом Грейзена, Зацепина и Кузьмина (ГЗК) [1, 2], для изучения которого понадобились камеры с апертурой приема фотонов около 10 м², экспозицией в 10⁵–10⁶ км² ср год и пространственным разрешением в атмосфере около 1 км. Изучение предела ГЗК – одна из самых актуальных задач физики и астрофизики космических лучей, непосредственно связанных с космологией.

Для регистрации частиц в районе предела ГЗК оказалось эффективным измерение вспышки фотонов флуоресценции атмосферы с длинами волн 300–400 нм (так называемый ближний УФ), параметры которой позволяют оценить как энергию, так и направление первичной частицы. При разработке орбитального детектора флуоресценции для изучения космических лучей встретилось много вопросов, для ответа на которые было решено создать прототип такого прибора [3–6]. В этом детекторе, получившем название ТУС, применена фокусировка излучения с помощью зеркала-концентратора площадью 2 м² и регистрация изображения вспышки с помощью 256 ячеек в фотоприемнике, расположенном в фокальной плоскости зеркала. Для ТУС была разработана электроника [7] для отбора и регистрации фотонов флуоресценции от широкого атмосферного ливня (ШАЛ), образованного частицей космических лучей. Первые результаты отбора и измерения событий ШАЛ опубликованы в [8–10]. Результаты работы детектора ТУС по измерению вспышек различной природы используются при разработке полномасштабных орбитальных детекторов космических лучей вблизи предела ГЗК [11, 12]. Настоящая работа посвящена результатам работы ТУС как многоцелевого детектора вспышек в атмосфере.

В предыдущих измерениях с помощью традиционных видеокамер с временным разрешением 10–100 мс были открыты транзиентные события высокой яркости (TransientLuminousEvents, TLE) c излучением в широком диапазоне длин волн, см., например, данные орбитального инструмента ISUAL [13]. Природа событий TLE оказалась связана с электромагнитным излучением молний, и большинство событий TLE коррелирует с грозовыми образованиями в атмосфере.

Интересные результаты о транзиентных событиях в атмосфере были получены детекторами излучения в области ближнего УФ без пространственного разрешения, которые осуществлялись на спутниках МГУ: Университетский-Татьяна [14], Университетский-Татьяна-2 [15, 16] и Вернов [17]. В этих работах изучались вспышки с много меньшей яркостью, так как чувствительность УФ-сенсоров, в качестве которых использовались фотоэлектронные умножители (ФЭУ), значительно выше, чем у видеокамер. Эффективная площадь катода ФЭУ в этих детекторах (апертура приема фотонов) составляла 0.4 см², а поле зрения в атмосфере равнялось 16° (300–500 км на уровне моря, в зависимости от высоты спутника). Информация о TLE записывалась в виде временных осциллограмм. Разрешение по времени для разных миссий было различным, что позволило изучать разные типы событий (Татьяна – 16 и 64 мкс, Татьяна-2 – 1 мс, Вернов – 0.5 мс). Общее число фотонов, излучаемых в одном событии, рассчитывалось по интегралу измеренного числа фотонов в предположении, что излучение в источнике изотропно, а расстояние, на котором находится источник, равно высоте спутника.

С помощью этих детекторов было изучено распределение по полному числу фотонов Q в широком диапазоне Q = 10²⁰–10²⁵, построены карты распределения TLE по географическим координатам на Земле, показана корреляция мощных событий с распределением гроз и молний. Вместе с тем, были зарегистрированы транзиетные атмосферные явления (ТАЯ) с координатами в сотни и даже тысячи км от местоположения молний [18]. Особенный интерес вызвала регистрация на одном витке орбиты так называемых серий TLE [16]. В таких сериях события следуют одно за другим с интервалом от 5 с до 1 мин. В некоторых из этих серий наблюдались события далеко от молний, местоположение которых известно по данным наземных сетей локации молний.

Многоцелевой детектор ТУС позволил получить качественно новую информацию о транзиентных УФ вспышках в атмосфере Земли за счет улучшения ряда параметров детектора. Во-первых, временное разрешение достигло 0.8 мкс, что на порядок лучше, чем в предыдущих экспериментах. Во-вторых, за счет использования зеркала-концентратора чувствительность прибора увеличилась на 4 порядка. В-третьих, детектор ТУС обладает пространственным разрешением, что упрощает идентификацию типов транзиентных явлений.

ДЕТЕКТОР ТУС

Детектор ТУС был размещен на спутнике Ломоносов (международное обозначение MVL300 или 2016-026A), который был выведен 28.IV.2016 на полярную солнечно-синхронную орбиту с наклонением 97.3°, периодом 94 мин и высотой около 500 км. Мгновенное поле зрения инструмента на уровне моря составляло 80 × 80 км. Спутник проработал полтора года до декабря 2017 г. Детектор (телескоп) состоит из двух основных частей: зеркала-концентратора френелевского типа площадью 2 м² и фотоприемника, расположенного в фокальной плоскости на расстоянии 150 см от зеркала.

Отдельный канал фотоприемника представляет собой ФЭУ Hamamatsu R1463. Непосредственно на фотокатоде ФЭУ размещен УФ фильтр толщиной 2 мм. Полоса чувствительности канала со стороны малых длин волн определяется резким уменьшением квантовой чувствительности фотокатода при длинах волн <300 нм и со стороны больших длин волн – обрезанием прозрачности фильтра на длине волны 400 нм, так что квантовая чувствительность ячейки равна примерно 20% в диапазоне 300–400 нм. Кроме того, УФ излучение с длинами волн менее 315 нм эффективно поглощается озоновым слоем атмосферы (если источник УФ находится ниже 40 км).

На входе канала размещен зеркальный световод, имеющий квадратное входное окно (“ячейку”) 15 × 15 мм и круглое выходное окно, концентрирующее свет на катод диаметром 13 мм. Использование световодов этого типа позволяет повысить однородность сбора света в прямоугольной матрице ячеек детектора.

Фотоприемник состоит из 16-ти одинаковых модулей по 16 ячеек в каждом. Каждый модуль имеет свою плату электроники с аналогово-цифровыми преобразователями (АЦП), системой низковольтного и высоковольтного (для ФЭУ) питания и ПЛИС XILINX, на которой был реализован алгоритм триггерной системы первого уровня для отбора “сработавших” ячеек. Информация о триггере первого уровня поступает в центральное процессорное устройство детектора, где по длительности срабатываний смежных ячеек фотоприемника принимается решение о записи полезного события и дальнейшей передачи его на Землю.

Фокусное расстояние зеркала-концентратора (150 см) определяет угловой размер поля зрения отдельного канала (10 мрад), что при высоте орбиты спутника 500 км соответствует размеру ячейки обзора атмосферы 5 × 5 км. В контрольных предполетных испытаниях было установлено, что локализованное изображение удаленного источника на фокальной плоскости зеркала сопровождается диффузным освещением, причем при расположении источника вне поле зрения доля диффузного света, попадающего на фотоприемник, может достигать 40% от всего света, попадающего на зеркало. Эта особенность работы зеркала-концентратора была замечена и в ходе эксперимента, см. далее раздел “Результаты и обсуждение”.

Электроника фотоприемника была разработана с учетом многоцелевого использования ТУС: для изучения ТАЯ необходимо обеспечить широкий диапазон измерения яркости и длительности полезного сигнала, а саму регистрацию сигнала производить при различных интенсивностях УФ фона, появляющихся вследствие географических и сезонных вариаций излучения атмосферы, а также изменения уровня освещения в зависимости от фазы Луны. Интенсивность фона ночной атмосферы в том диапазоне длин волн, в котором работал ТУС, была измерена ранее на спутниках МГУ, упомянутых выше, и приведена в работах [16, 19, 20]. Как и ожидалось, основной вклад в УФ фон ночной атмосферы вносит рассеянное излучение от Луны. Кроме того, важным фактором, определяющим интенсивность фона в случае орбитального детектирования, является облачность, которая при полной Луне увеличивает рассеянную от атмосферы интенсивность излучения в 2 раза. В новолуние в отсутствие облачности интенсивность фона над океаном остается постоянной в течение тысяч км с нарушением этого постоянства лишь над зонами полярных сияний и другими особенными районами, включающими и районы человеческой деятельности.

Регистрация сигнала в новолуние в районах с малым средним фоном играет важную роль в оценках вероятности имитации конкретных типов ТАЯ за счет статистических отклонений от средних значений фона. Измерения в условиях низкого фона УФ излучения особенно важны для оценки относительно малых по яркости событий ШАЛ с числом фотонов Q = 10¹⁵–10¹⁶.

Для регистрации сигнала с различными диапазонами длительности была разработана и создана специальная электроника детектора, формирующая развертки длительностью 256 тактов с четырьмя различными временными разрешениями (длительностями такта). Для регистрации событий ШАЛ были выбрано высокое разрешение во времени ΔT = 0.8 мкс [21]. В этом режиме осуществлялась также регистрация самых коротких событий TLE – эльфов. Следующие два режима, с длительностью такта ΔT = 25.6 мкс и ΔT = 0.4 мс, предназначены для измерений более длительных событий – спрайтов, гигантских и голубых струй. Наконец, четвертый режим работы с ΔT = 6.6 мс применялся для изучения метеоров, нуклеаритов, космического мусора и свечения из районов грозовой активности. В этом случае общая длительность развертки составляла 1.66 с.

По команде от триггерной системы вся цифровая информация от ячеек фотоприемника, записанная в оперативной памяти ячеек, передается в постоянную память прибора. Запись осуществляется так, чтобы момент триггера приходился на 50-й такт развертки, что позволяет следить за фоном непосредственно перед появлением полезного сигнала. В частности, на приведенных в статье осциллограммах видно резкое возрастание сигнала в ячейках, начиная с такта 48, связанное с этой особенностью записи данных.

В табл. 1 приведено полное время работы прибора в каждом режиме без учета наличия дневной стороны орбиты, когда фон УФ излучения слишком велик для регистрации слабых сигналов транзиентных вспышек, мертвого времени при бора при регистрации. Время наступления местной ночи определялось по коду высокого напряжения на ФЭУ, которое подстраивается под уровень освещенности и отражает, таким образом, среднюю интенсивность излучения из атмосферы во время регистрации. На терминаторе происходит резкое увеличение интенсивности, которое приводит к резкому падению кода высокого напряжения. Из табл. 1 видно, что большая часть времени работы детектора ТУС была посвящена поиску событий ШАЛ. Совсем мало времени (около трех суток) производились измерения в режиме TLE-1. В режиме TLE-2 работа продолжалась дольше: было отобрано несколько сотен событий этого типа. В режиме регистрации метеоров детектор проработал в общей сложности 37 суток.

РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

Большинство событий (80%), отобранных триггерной системой ТУС, представляют собой те или иные вариации фона. Оставшиеся 20% событий имеют свои характерные пространственные и временные особенности и подробно обсуждаются в следующих разделах.

ТРИГГЕР ШАЛ: СОБЫТИЯ ТИПА ШАЛ

Экспозиция детектора ТУС в режиме триггера ШАЛ за время работы спутника с учетом мертвого времени составила 1.2–1.4 ⋅ 10³ км² ср год [22] и позволила отобрать несколько событий с характерным для ШАЛ перемещением изображения вдоль прямолинейного трека и динамикой кривой свечения [23].

Одно из этих событий-кандидатов в ШАЛ, зарегистрированное 03.X.2016 над территорией США (44.08° N, 92.71° W), было детально изучено. В частности, для него удалось определить приблизительное направление движения источника излучения. На рис. 1 представлены сигналы данного события. Феноменология этого события обсуждается в [22, 23] в рамках традиционной модели развития адронного ШАЛ.

Рис. 1.

Событие, зарегистрированное детектором ТУС 03.X.2016. Слева: кривая свечения показана в виде стек-гистограммы. Справа: карта сработавших каналов фотоприемника.

Ряд событий, имитирующих мощные ШАЛ, по всей видимости, имеет антропогенное происхождение. За все время работы детектора на орбите было зарегистрировано несколько десятков событий, имеющих относительно слабый сигнал, напоминающих трек ШАЛ с зенитным углом порядка 30–45 градусов, но все они произошли в густонаселенных районах США или возле аэропортов.

Важно отметить, что во всех случаях при попытке интерпретации событий в рамках обычной модели адронного ШАЛ оценки энергии приводят к неправдоподобно высоким значениям (>1 ЗэВ). При этом введение гипотезы происхождения сигнала от попадания в атмосферу релятивистской пылинки может частично снять данное противоречие. В частности, событие, зарегистрированное 03.Х.2016, допускает такую интерпретацию.

Феноменология (структура сигнала) некоторых событий, в которых наблюдается релятивистское движение в поле зрения прибора, оказалась еще более сложной. В настоящее время анализ этих событий еще не закончен и его результаты будут опубликованы отдельно, а некоторые из них рассмотрены далее (см. раздел “Далекие от грозовых областей события”).

ТРИГГЕР ШАЛ: МГНОВЕННЫЕ ТРЕКИ

В режиме триггера ШАЛ неожиданно наиболее представленными (около 2000 за время работы) оказались “мгновенные треки”: набор выстроенных вдоль одной линии ячеек, срабатывающих одновременно за один такт. Такие мгновенные треки появлялись примерно в 14% всех зарегистрированных на первом этапе работы детектора ТУС (первые 6 месяцев, май–ноябрь 2016 г.) [9], после чего в триггер ШАЛ были внесены изменения, позволившие эффективно бороться с этим видом паразитных сигналов. Пример мгновенного трека приведен на рис. 2.

Рис. 2.

Пример мгновенного трека в данных детектора ТУС. Слева: сигналы в трех “трековых” каналах, справа: карта каналов в момент возникновения “трека” (сигнал усреднен по двум тактам).

Данный тип событий удается объяснить прохождением сильно ионизирующих космических заряженных частиц (протонов и альфа с энергией 0.1–1 ГэВ на нуклон) через стеклянные элементы ячеек и возбуждением УФ флуоресценции в стекле. Это явление обсуждалось в работе [24] и было объяснено как результат работы детектора в околоземном космическом пространстве, где такие частицы захвачены в радиационных поясах Земли.

ТРИГГЕР ШАЛ: СОБЫТИЯ ТАЯ ТИПА ЭЛЬФ

В режиме триггера ШАЛ наиболее часто встречаются события ТАЯ – это вспышки типа эльф. И это не случайно, так как именно эльфы считаются наиболее распространенными транзиентными явлениями в верхней атмосфере Земли. Эльфы (ELVES – Emission of Light and Very Low frequency perturbations from Electro-magnetic pulse Sources) представляют собой довольно слабое оптическое излучение, имеющее форму расширяющегося кольца, диаметр которого может достигать 400 км. Они возникают на высоте порядка 100 км и длятся не более 1 мс. Возникают эльфы после мощного молниевого разряда за счет нагрева электронов нижних слоев ионосферы. По данным детектора ISUAL на спутнике FORMOSAT-2, частота эльфов по всему земному шару составляет в среднем 50 событий в минуту. Таким образом, за время экспозиции детектора ТУС 1.2–1.4 ⋅ 10³ км² ср год ожидается регистрация нескольких десятков таких событий. Всего в экспериментальных данных было обнаружено 26 событий типа эльф. Изображение эльфа на фотоприемнике представляет собой расширяющееся с определенной скоростью кольцо. Точнее, в поле зрения детектора попадает лишь дуга (часть кольца), причем центр кольца указывает направление на молниевый разряд. Одним из преимуществ детектора ТУС является наблюдение событий типа эльф в надир, когда пространственно-временной паттерн регистрируемого изображения максимально прост, а поглощение свечения в атмосфере минимально.

В зарегистрированных детектором ТУС событиях типа эльф длина дуги составляет около 100 км, а ее центр находится вне поля зрения. На рис. 3 представлен пример регистрации эльфа 23.VIII.2017 над Тихим океаном (8.03° N, 131.34° W). Приведены изображения в три момента времени, разнесенные на 32 мкс друг от друга. Сравнение изображения эльфа с данными о молниях от сети наземных детекторов Vaisala [25] показало, что в районе центра кольца в этот же момент времени имели место две молнии противоположной полярности. Максимальная сила тока в обоих молниевых разрядах сравнительно мала и составила –28 и +34 кА. На рис. 3 также представлены кривые светимости в нескольких ячейках детектора (развертки осциллографа). Видно, что фронт свечения смещается при переходе от одной ячейке к другой.

Рис. 3.

Пример события типа эльф, зарегистрированного детектором ТУС. Сверху: три карты каналов в моменты времени 128, 160 и 192 мкс от момента начала записи, снизу: осциллограммы четырех каналов.

Яркость эльфов считается пропорциональной мощности молний (точнее, пиковой силе тока разряда), однако в самом процессе генерации эльфа пытаются обнаружить пороговый эффект. В работах [26, 27] экспериментально показано, что молниевые разряды с силой тока более 57 кА всегда сопровождаются эльфами, тогда как при разрядах менее 30 кА вероятность генерации эльфа не превышает 50%. Однако это может быть простым следствием недостаточной чувствительности аппаратуры к слабому сигналу эльфа от молнии с малым током обратного удара. Поэтому происхождение эльфов малой мощности, зарегистрированных над океаном, представляет особый интерес. Благодаря применению оптической системы с огромной апертурой – на 4 порядка больше, чем в традиционных видеокамерах – детектор ТУС позволяет регистрировать эльфы малой яркости.

Простая оценка интенсивности свечения эльфа в приведенном выше примере как интегрального сигнала всех сработавших ячеек дает число фотонов 10⁷, принятых зеркалом в течение периода регистрации события (около 150 мкс). Учитывая, что детектор находился на расстоянии около 400 км над событием и предполагая, что излучение флуоресценции изотропно, получаем, что полное число УФ фотонов, излученное в этом событии равно Q ∼ 10¹⁹, что на 4 порядка ниже, чем оценивалось в опытах с видеокамерами в эксперименте ISUAL [13]. Полученное в этой работе значение мощности молний (около 50–100 кА), сопровождающихся регистрацией эльфов видеокамерами, было принято авторами за порог по мощности молний, способных генерировать эльфы. Результаты работы детектора ТУС показывают, что данный порог, скорее всего, определялся именно особенностью регистрации, а не генерацией.

В работе [28] впервые были представлены эльфы с двойными кольцами. Такие события связывают с так называемыми компактными внутриоблачными разрядами (CID, от англ. compact intracloud discharge, см. [29]). На рис. 4 приведен пример регистрации сигнала в двух каналах фотоприемника: в обоих случаях кривая свечения содержит два крупных пика и небольшие дополнительные пики. Пространственно-временной паттерн изображения, показанный справа, также свидетельствует о наличии двух перемещающихся друг за другом дуг свечения.

Рис. 4.

Пример эльфа со сложной пространственно-временной структурой, зарегистрированный детектором ТУС 04.VIII.2017 в 16.26.20 UTC. Слева: осциллограмма двух каналов фотоприемника, справа – карта каналов в момент времени 152 мкс от начала записи осциллограмм [30].

Был проведен анализ данных сети детекторов молний Vaisala GLD360 [25] с целью поиска разрядов, близких данному событию по месту и времени регистрации. На расстоянии 70–90 км от центра поля зрения детектора ТУС было найдено несколько молний, одна из которых имела пиковую силу тока 286 кА. Однако оценка высоты разряда по времени задержки двух дуг свидетельствует о том, что более вероятным источником происхождения данного события является более слабый внутриоблачный разряд типа CID, который не может быть зарегистрирован наземной сетью.

ТРИГГЕР ШАЛ: ВСПЫШКИ ВНЕ ПОЛЯ ЗРЕНИЯ

В работе детектора ТУС в режиме триггера ШАЛ был обнаружен еще один тип событий, связанных с присутствием молний, – события с монотонным (в среднем) возрастанием яркости в большом количестве ячеек до максимума в конце развертки или вблизи него. Этот тип событий связан, скорее всего, с особенностью используемого зеркала-концентратора. В контрольных предполетных измерениях было обнаружено, что при отражении света от поверхности зеркала, помимо основной зеркальной составляющей, образуется значительная диффузная часть изображения. Оценки показывают, что примерно 40% энергии, падающей на поверхность зеркала почти равномерно засвечивает фотоприемник. Источник, движущийся вблизи поля зрения детектора, но вне его, освещает зеркало с характерной кривой свечения, связанной с динамикой сигнала в самом источнике и с изменением расстояния от источника до приемника, которая повторяется во всех каналах фотоприемника, регистрирующих диффузную компоненту. Если исходный источник является достаточно ярким, то триггерная система может сработать на такой диффузный вариант кривой свечения.

Одним из самых ярких источников такого типа может быть обратный удар молнии, произошедший на расстоянии порядка десятков км от края поля зрения детектора. Пример такого события приведен на рис. 5. На развертке сигнала уместилась лишь начальная фаза явления (виден обрыв в районе максимума кривой свечения). Географическое распределение событий такого типа (с монотонным фронтом сигнала в большой части каналов фотоприемника) оказалось в хорошем согласии с распределением молний на Земле, см. рис. 6.

Рис. 5.

Пример события с монотонным ростом сигнала по всему фотоприемнику. (Для простоты приведены развертки лишь двух каналов – в остальных наблюдается аналогичная динамика сигнала.)

Рис. 6.

Географическое распределение событий с монотонным ростом сигнала, аналогичных по временной структуре событию, приведенному на рис. 5.

ТРИГГЕР ШАЛ: ВНЕГРОЗОВЫЕ СОБЫТИЯ ТАЯ

Большой интерес представляют события ТАЯ, зарегистрированные над океаном вдали от районов грозовой активности, в которых наблюдались яркие пики сигнала в течение нескольких первых микросекунд. После резкого спада сигнала в первом пике наблюдается второй максимум с длительностью в десятки микросекунд, со спадающим свечением и перемещением в поле зрения детектора. Всего было зарегистрировано порядка 10 подобных событий. Пример такого события, зарегистрированного над Атлантическим океаном (31.5° N, 22.5° W), приведен на рис. 7.

Рис. 7.

Необычное событие, зарегистрированное детектором ТУС 28.VII.2017 над Атлантическим океаном.

Для данного события была изучена грозовая обстановка вблизи места регистрации. Данные сети Vaisala GLD360 демонстрируют отсутствие молний в радиусе 1000 км в течение часа относительно места и времени события. Дополнительно было исследовано распределение облаков по данным Comprehensive Large Array-data Stewardship System (CLASS). Оказалось, что облака, наблюдавшиеся в данном месте в момент регистрации события, не характерны для грозовых областей и не могут служить причиной разряда молнии.

Кроме того, над Индийским океаном в 150 км от Австралии (26.5° S, 112.05° E) было зарегистрировано событие с яркостью на порядок больше. В этом событии первый во времени пик привел к полному насыщению АЦП соответствующей ячейки с момента времени срабатывания триггера до конца развертки осциллографа. При этом сигнал настолько яркий, что диффузно рассеянная на зеркале часть излучения приводит к появлению сигнала во многих каналах фотоприемника, даже сильно удаленных от центра события. Данные об этом событии приведены на рис. 8 (левая часть рисунка – осциллограммы сигналов в первых по времени ячейках, правая часть – карта срабатывания ячеек в момент времени t = 140 мкс). Более подробные данные приведены в работе [30].

Рис. 8.

Событие над Индийским океаном (26.5° S, 112.05° E). Слева: осциллограммы в ячейках с первым максимумом (в двух каналах насыщение), справа: карта сработавших ячеек в момент времени t = 140 мкс от начала записи осциллограммы.

Сигналы во второй части события в ячейках, в которых наблюдается перемещение сигнала вдоль модулей фотоприемника с релятивистской скоростью, позволяют оценить зенитный угол направления перемещения сигнала, который оказался близок к горизонтальному (>80°). При интерпретации этого движения в терминах ШАЛ общая энергия явления соответствует первичной частице с энергией более 10²² эВ.

Окончательного объяснения природы события на данный момент не существует. По данным наземных сетей, в районе регистрации грозовая активность отсутствовала. Привлекательной гипотезой представляется новый тип первичных космических частиц при энергиях выше ГЗК предела – релятивистских пылинок из большого числа атомов со сравнительно небольшой энергией на нуклон. После взаимодействия такой пылинки с ядрами атмосферы среди вторичных частиц возникает большое количество сильно ионизующих частиц, ответственных за первый во времени мощный пик свечения. Нуклоны, сохранившие свою энергию после первого столкновения с “ядерным расщеплением”, дают начало развитию традиционного ШАЛ, ответственного за второй, более протяженный по времени пик.

ТРИГГЕР TLE-2

За 19 суток работы триггера TLE-2 (общая длительность ночной работы в режиме с временным разрешением 400 мкс, см. табл. 1) было зарегистрировано 1708 событий. (Триггер TLE-1 работал слишком мало времени и не внес заметного изменения в полную статистику событий.) Большинство этих событий представляют собой равномерно распределенные по фотоприемнику засветки. Такие засветки могут быть связаны с яркими молниями проходящими вне поля зрения фокусирующего приемника (см. предыдущий раздел). Если молниевый разряд или TLE попали в поле зрения, то наблюдается мощный сигнал с насыщением в тех ячейках, где произошло событие, но и сигнал во всех остальных каналах за счет рассеянного на зеркале сигнала. Как правило, видимый размер изображения соответствует не размеру самого разряда, а области рассеяния в облаке. При наблюдении в надир без анализа спектра излучения проблематично отличить обычные молнии от высоко-атмосферных явлений, за исключением событий с явным пространственно-временным паттерном, как у эльфов, см. выше.

Пример такого яркого события, попавшего в поле зрения прибора, приведен на рис. 9. Событие зарегистрировано над Атлантическим побережьем Южной Америки, на севере Бразилии (1.1° S, 45.3° W) 28.VI.2016.

Рис. 9.

Событие TLE, зарегистрированное 28.V.2016 г. (1.1° S, 45.3° W). Слева: осциллограммы трех каналов, справа: карта каналов в момент времени 40 мс от начала записи.

По данным сети детекторов молний Vaisala GLD360, в районе регистрации события наблюдалась мощная грозовая активность, сопровождавшаяся молниевыми разрядами. Координаты ближайших по времени молний совпадают с положением максимального сигнала в поле зрения детектора ТУС. Таким образом, наиболее вероятно, что это прямое наблюдение свечения молниевых разрядов с временным разрешением 0.4 мс. В предыдущих экспериментах на спутниках Татьяна-2 и Вернов также были замечены вспышки УФ с такой длительностью в грозовых районах. Для отождествления свечения с TLE необходимо определение высоты события. Это может быть сделано, например, измерением спектрального состава излучения (для определения характерных линий излучений атомарного азота – для молний или молекулярного – для TLE). Попытка определения высоты разряда по соотношению сигнала в красной и синей области излучения сделана в работе [16].

ТРИГГЕР МЕТЕОР

При подготовке программы исследования вспышек в атмосфере с помощью орбитального детектора ТУС была оценена возможность измерения более медленных УФ треков, создаваемых в атмосфере метеороидами [31] – метеоров. Было показано, что свечение метеороидов, принадлежащих Солнечной системе и обладающих скоростями около 30 км/с и кинетической энергией более 200 Дж, может быть эффективно зарегистрировано орбитальным детектором типа ТУС при временном разрешении порядка нескольких мс. Для этих целей в электронике ТУС была предусмотрена возможность работы с временным разрешением 6.6 мс и длительностью развертки 1.7 с (режим триггера МЕТЕОР). За время работы этого триггера (37 суток) были зарегистрированы сотни событий в которых обнаружено 9 метеоров. На рис. 10 приведены осциллограммы метеора, зарегистрированного 21.III.2017 в 01.35.37 UTC. В этом событии количество каналов с сигналом, значимо превышающим фон, очень большое (больше 15), на рис. 10 изображена лишь часть из них (для удобства графики сигналов представлены на двух панелях – сгруппированными по времени максимума, на левой панели часть сигналов с максимумом вблизи 1000 мс не видна в виду слабой чувствительности каналов в модулях 5 и 6). По времени регистрации можно предположить, что метеор принадлежит к потоку гамма-нормидов. В предположении (квази)горизонтального направления движения метеороида можно оценить его скорость, которая получается около 30 км/с. Что значительно ниже средней скорости данного потока и говорит о том, что метеороид вошел под большим углом в атмосферу.

Рис. 10.

Слева: осциллограммы сработавших каналов метеора, зарегистрированного детектором ТУС 21.III.2017 в 01.35.37 UTC. Для удобства каналы разбиты на группы по модулям (на правой панели приведена только часть развертки, начиная с момента 1000 мс). Справа показана карта сработавших каналов фотоприемника.

Триггер МЕТЕОР позволил также изучить так называемые “серии” событий ТАЯ, замеченных ранее в опытах на спутниках Татьяна-2 и Вернов как набор вспышек, следующих одна за другой во времени. В настоящей работе частота срабатывания триггера осталась примерно такой же, что и в предыдущих экспериментах (1 мин^–1). При этом появилась возможность записывать данные о событиях за более длительное время – 1.7 с по сравнению с 0.1–0.2 с в предыдущих работах, но с некоторой потерей разрешения ячеек во времени. На рис. 11 показана осциллограмма одного из событий, зарегистрированных в грозовой области. Видно, что в данном режиме тонкая структура коротких пиков потеряна.

Рис. 11.

Временная структура грозового события. Острые пики – предположительно обратные удары молний. Время регистрации события: 02.I.2017, 04.13.29 UTC.

Этот пример демонстрирует возможность выбора благоприятного режима работы детектора ТУС как многоцелевого детектора. Анализ данных о сериях событий ТАЯ в режиме МЕТЕОР еще не закончен, но уже в настоящее время можно утверждать, что наблюдаемые с более богатой информацией серии ТАЯ являются характерным свойством грозовых областей.

Регистрация сигналов в режиме МЕТЕОР оказалась полезной также и с методической точки зрения: по ним удалось произвести измерения относительных значений чувствительности каналов детектора. Эффективное усреднение сигнала, происходящее за длительность такта (6.6 мс), а также полное и частичное перекрытие полей зрения соседних пикселей, расположенных вдоль направления движения спутника, позволило выделить (квази)стационарные сигналы и оценить по ним относительные чувствительности. Подробнее данная процедура изложена в статье [23].

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Орбитальный детектор ТУС существенно обогатил феноменологию транзиентных атмосферных явлений в диапазоне ближнего УФ, полученную в предыдущих космических экспериментах Татьяна, Татьяна-2 и Вернов. Изображающая оптика телескопа ТУС и его высокое временное разрешение позволили эффективнее и точнее осуществлять классификацию TLE. Кроме того, измерения с несколькими триггерами продемонстрировали возможность работы орбитального детектора как многоцелевого прибора по изучению разных по своей природе явлений на существенно различных масштабах времени. В самых коротких событиях, “мгновенных” треках, образованных заряженными частицами в стеклянных фильтрах самого детектора, возрастание сигнала происходило менее чем за 0.8 мкс, тогда как в самых длительных – метеорах – динамика кривой свечения происходила с характерным масштабом порядка 1 с!

Пространственное разрешение прибора позволило соотнести положение события и потенциальные его источники (молниевые разряды, зарегистрированные сетью наземных детекторов) и тем самым уточнить классификацию отобранных УФ вспышек. В частности, было показано, что в большинстве случаев зарегистрированные события в режиме TLE совпадают с молниями в грозовых районах, причем изображение может существенно различаться в случаях нахождения молнии в поле и вне поля зрения фокусирующей оптической системы. Наличие диффузного (рассеянного на шероховатостях зеркала) сигнала позволяет расширить поле зрения детектора в поиске заданного типа транзиентного явления.

Грозовой район – это сложный конгломерат электромагнитных разрядов, молний на разных стадиях развития – от “затравочных” внутриоблачных разрядов и развития стримерно-лидерного процесса до мощного обратного удара молнии с наибольшей яркостью и выделением энергии, последующими ударами молний и высоко атмосферными транзиентными световыми явлениями. Эти разряды происходят на разных временных шкалах и разных пространственных размерах. Более тщательное сопоставление разного типа молний с типами TLE выявляет более “тонкие” их корреляции. Так, компактные внутриоблачные разряды, по всей видимости, являются причиной двойных и многократных эльфов. Транзиентные явления типа спрайт чаще возникают после положительных молний, а для генерации эльфов тип молнии и значение пикового тока обратного удара значения не имеют, а лишь определяют яркость свечения. Эти и другие корреляции еще предстоит изучить и анализ данных детектора ТУС демонстрирует принципиальную важность при этом изображающей оптики и различного временного разрешения.

Во вне грозовых районах низкий фон чисто атмосферных событий позволяет надеяться найти УФ события с энергией того же порядка, что имеют события TLE, но совершенно другой природы – ШАЛ от частиц космических лучей за пределом ГЗК. Опыт, полученный в ходе проведения эксперимента ТУС, оказывается неоценимым в процессе работы над созданием полноценного орбитального детектора космических лучей предельно высоких энергий КЛПВЭ (K-EUSO) [32, 33].

Разнообразие атмосферных событий связанных с внутренними процессами перераспределения заряда (грозовые явления) и взаимодействия с окружающим космическим пространством подтверждает необходимость дальнейших мониторинговых исследований транзиентного УФ свечения.

Работа выполнена при поддержке Министерства образования и науки Российской Федерации, уникальный идентификатор проекта RF-MEFI60419X0237.