Атмосферные бури представляют собой одно из наиболее значительных возмущающих явлений в окружающей среде Земли. Две тысячи штормов постоянно активны по всему миру, производя от 50 до 100 молний в секунду. Недавние наблюдения за световыми излучениями в средней и верхней атмосфере и гамма-излучениями атмосферного происхождения показывают, что существует импульсивная связь атмосферы Земли с ионосферой и магнитосферой над активными штормовыми ячейками. Что касается космической плазмы, а также химии и динамики средней атмосферы, то эта прямая связь и связанная с ней значительная энергия приводят к вовлечению процессов, которые до сих пор не были предусмотрены. Он может быть вызван космическим излучением, солнечными ветрами, а также метеорологическими и вулканическими процессами, которые влияют на нижние слои атмосферы.





https://www.facebook.com/paulmsmithphotography/posts/1255424331522921


Поскольку открытие этих явлений произошло совсем недавно, современные знания ограничиваются световыми излучениями, наблюдаемыми в спектре, видимом с земли, или с помощью оптических детекторов, встроенных в спутники и направленных к горизонту. Теоретические исследования показывают, что эти выбросы являются лишь небольшой частью гораздо более сложного явления, которое также включает в себя X и лучи, электромагнитные лучи, распространяющиеся в большом диапазоне (от 0,1 Гц до нескольких десятков МГц) и атмосферно-ионосферная связь, приводящая к генерации интенсивных электронных полей и ускорению электронов, которые могут достигать очень высоких энергетических уровней (до 30 МэВ).
1-обнаружение и характеристика TLEs



Цель состоит в измерении молний и переходных световых явлений (Тлэ), которые происходят над штормовыми системами на высоте от 20 до 100 км над уровнем моря. Эти Тл наблюдались путем фокусировки на горизонте с земли или с помощью спутника (ISUAL/FORMOSAT). Рисунок выше представляет собой диаграмму различных TLEs.

Количество TLEs в настоящее время неизвестно. Оценить их количество можно по данным глобальной частоты свечения, рассчитанным с помощью экспериментов LIS и OTD на борту спутника TRRM. Глобальная частота освещения составляет 45 вспышек в секунду. Это приводит к от 5 до 27 спрайтов в минуту, если мы предположим, что существует 1 спрайт (1,5 Мб) для 100 до 500 вспышек молнии. Число эльфов, которые встречаются чаще, чем спрайты, может достигать от 500 до 600 в минуту.

Эти явления имеют различные пространственные и временные характеристики. Все они систематически производятся после вспышки молнии, но некоторые длятся в течение различных периодов времени. Их характеристики суммируются в таблице ниже:

Горизонтальная протяженность Вертикальная протяженность Диапазон высот Продолжительность Временные рамки между lightning/TLE
Колонка спрайтов 1 км 10-40 км 30-70 км 1-5 МС < 2 мс
Морковные спрайты 5-30 км 20-60 км 30-90 км 1-5 МС 2-400 МС*
Сгруппированные спрайты 50-80 км 0-400 МС
Эльфы 200-500 км Несколько километров 85-95 км 1 мс < 1 мс
Ореолы 75 км 20 км 70-90 км 1-5 МС < 1 мс
Струи 1-10 км 20 км 18-45 км
Гигантские реактивные самолеты 1-50 км 60 км 18-75 км
Молния (облачная подсветка) 5-20 км 3-10 км 3-15 км 1-100 мс (для прямого куранта)
* : средний time-кадр между спрайтом и вспышкой молнии составляет 30 мс, но его распределение представляет собой большое стандартное отклонение. ЭтотТ-образный кадр пока не может быть оценен.

Спектр спрайтов изучается как на теоретическом уровне, так и с помощью практических экспериментов. Эти спектры показывают, что излучение света от спрайтов связано с возбуждением в молекулах азота. В таблице ниже приведены различные колебательные полосы N2, участвующие в излучении спрайтов.

Колебательная ленточная система спектральный диапазон (нм) Длина основной полосы (Нм)
N2 1P 570-830 762,7 Нм (3-1)
N2 2P 290-450 337 Нм (0-0)
N2 LBH* 120-280
N2+ (1N) 360-470 391,4 Нм (0-0)
*: Lyman-Birge-Hopfield

В отличие от предыдущих экспериментов, Таранис будет наблюдать эти явления, проходя непосредственно под ними, чтобы изучить различные эффекты на среду (ионосферу) и связи с соседними средами (атмосферой и магнитосферой). С этой целью он будет иметь встроенную оптическую систему обнаружения и наблюдения для TLEs, которая предназначена для:

Обнаружьте TLEs и молнии на борту спутника, чтобы послать предупреждающий сигнал всему оборудованию.
Различайте сигнал молнии и сигнал TLEs.
Найдите и охарактеризуйте молнии и Тл и частоту их возникновения.
Изучите любые корреляции между этими характеристиками и другими связанными с ними явлениями (TGFs, волны и т. д.).
2-обнаружение TGFs и изучение механизмов генерации TLEs и TGFs
TGFs (земные вспышки гамма-излучения) были обнаружены во время эксперимента BATSE. Они возникают в верхних слоях атмосферы и, по-видимому, связаны с грозовой активностью.



Механизмы, лежащие в основе создания TLEs и TGFs, были предметом многочисленных, часто противоречивых исследований. Согласно некоторым исследованиям, они могут быть связаны с квазистатическими электрическими полями, которые приводят к пробою воздуха; согласно другим, они могут быть результатом лавины релятивистских электронов, которые запускаются космическим излучением и развиваются до ионосферы и магнитосферы. Эта лавина могла произвести вторичный рентген и излучение через замедляющее излучение.

Первые аппроксимации случайного наблюдения рентгеновских лучей, исходящих из земной атмосферы спутником GRO, по-видимому, подтверждают последнюю модель. Текущие наблюдения со спутника Rhessi показывают, что задействованные энергии достигают 30 МэВ. Недавние наблюдения рентгеновских лучей в контакте с вызванной молнией показывают, что эти механизмы могут быть гораздо более распространенными, чем считалось ранее.

3-характеристика убегающих электронов, ускоряющихся вверх из атмосферы в магнитосферу


Наблюдения за лучом показали существование энергичных убегающих электронов, движущихся вверх по мере возникновения Тлэ. Некоторые теоретические исследования показывают, что эти убегающие электроны пересекают ионосферу и распространяются в магнитосфере. Если бы эта гипотеза подтвердилась, мы бы имели процесс, который способствует обоим:

заселение радиационных поясов за счет ускорения в сторону магнитосферы высокоэнергетических электронов, генерируемых космическим излучением на малых высотах,
вариации скорости ионизации в атмосфере.
Менее гипотетично то, как электроны радиационного пояса осаждаются в атмосферу. Много лет назад было установлено, что в высоких широтах (L>5) осажденные электроны являются источником образования Nox на высотах 90 км, и что полярные ветры переносят этот Nox на более низкие высоты. Хотя это никогда не было официально продемонстрировано, широко признано, что на средних и малых высотах, где осаждаются электроны с наибольшей энергией (значительные потоки электронов более 10 МэВ наблюдались спутником SAMPEX), воздействие на концентрацию NOx и O3 должно наблюдаться непосредственно в стратосфере без использования механизма переноса.


4-выявление влияния Тлэ на связь ионосферы и магнитосферы, а также роли осажденных электронов в связи магнитосферы и атмосферы.
Ускорение электронов и их осаждение обычно сопровождаются электромагнитными и электростатическими волнами, которые либо способствуют этому процессу, либо были им порождены. В обоих случаях необходимо исследовать электромагнитную и / или электростатическую сигнатуру, чтобы идентифицировать действующие механизмы или даже обнаружить убегающие электроны, которые слишком узки, чтобы их можно было наблюдать непосредственно. Важным примером сигнатур такого рода в настоящее время являются "вторые пики", наблюдаемые с земли на свистках эльфов. В настоящее время они интерпретируются как сигнатура токов, генерируемых в ядрах спрайтов.

В настоящее время ведутся исследования электромагнитных и электростатических сигнатур переходных явлений, которые могут выявить процессы связи между ионосферой и атмосферой или между магнитосферой и атмосферой. Модели предсказывают генерацию электромагнитных волн LF / MF через убегающие электроны, ускоренные вверх из атмосферы в магнитосферу. Хотя механизмы генерации волн хорошо документированы в отношении осаждения электронов в высоких широтах, многое еще предстоит сделать для средних и низких широт.


МИССИЯ
Миссия "Таранис" была предназначена для обнаружения и изучения различных явлений, связанных с атмосферными штормами, с помощью микроспутника, размещенного на квазиполярной орбите. Выбранная орбита позволит медленно дрейфовать от локального времени наблюдения. Система будет максимально использовать элементы и ресурсы микроспутниковой программы CNES MYRIADE.

Система предназначена для наблюдения за штормовыми регионами с целью обнаружения TLEs и TGFs, когда спутник движется над явлениями на высоте около 700 километров. Затем каждому из приборов полезной нагрузки посылается предупреждение, чтобы они могли получить максимальный объем данных во время события.

Поскольку триггерное явление (например, спрайт, обнаруженный набором фотометров) длится всего несколько миллисекунд, данные фактически постоянно записываются в "вращающуюся память", и предупреждение диктует, какая часть памяти будет считана. Этот метод используется для доступа к данным, записанным до сигнала триггера, чтобы компенсировать время отклика системы.

Огромные возможности спутниковой памяти в телеметрии, бортовом хранении и управлении позволят накапливать большой объем данных для каждого события и для большого количества событий в день. Все это делается для того, чтобы удовлетворить требования статистического анализа и иметь возможность соотносить различные параметры.

Центр научной миссии принял тот же план, который был с большим успехом реализован совместно с LPC2E для миссии "Деметра".

Орбита:

Полярный, солнечный синхронный
Высота над уровнем моря 700 км
Восходящий узел: 22:30

Указывающий:

Точность: минимум 0,5°
Восстановление высоты: 0.1°
Стабильность: 0,12° / с
Точность слежения: 5 км

Срок службы миссии: от 2 до 3 лет

https://taranis.cnes.fr/en/TARANIS/GP_mission.htm
https://golos-dobra.livejournal.com/1349774.html?nc=20#comments