Климов Павел Александрович
«Оптические методы наблюдения атмосферы из космоса»
Описание курса:
Курс «Оптические методы наблюдения атмосферы из космоса» появился в результате развития в МГУ направления исследований трензиентных оптических явлений в атмосфере Земли. Регистрация этих явлений наиболее эффективна с борта искусственного спутника Земли, а для проведения дальнейших исследования необходимы специалисты, разбирающиеся как во всем комплексе оптических (и связанных с ними) явлений в атмосфере Земли, процессов возникновения и распространения оптического излучения в атмосфере Земли, в космической научной аппаратуре, а также современных методах обработки данных космического эксперимента. Излучение атмосферы Земли, в том числе в ближнем УФ-диапазоне (300–400 нм), является важным проявлением различных процессов, происходящих в атмосфере. Это процессы как внутреннего характера, связанные с перераспределением электрических зарядов (грозовые явления) или с антропогенным влиянием, так и результат воздействия на атмосферу Земли внешних, т.е. космических факторов: проникновение энергичного ионизирующего излучения, космических лучей в широком диапазоне энергий, прохождение метеоров и пр. Измерения пространственно-временной структуры свечения позволяют исследовать не только механизмы процессов в атмосфере Земли, но и источники их происхождения, включая космические. Еще в 1925 году были предсказаны высокоатмосферные эффекты над грозовыми областями, связанные с повышенной ионизацией, потоками энергичных частиц и оптическими явлениями. Позже эти явления были зарегистрированы оптическими камерами, установлено наличие коррелированных с грозовыми областями потоков энергичного гамма-излучения, а также пучков электронов и позитронов. Исследования этих явлений с борта искусственных спутников Земли ведутся в МГУ им. М.В. Ломоносова, начиная с первого научно-образовательного спутника «Университетский-Татьяна», запущенного в 2005 году. Сложилась классификация подобных транзиентных атмосферных явлений (ТАЯ), предложены и проработаны основные механизмы возникновения, исследованы глобальные характеристики: частота появления и распределение по Земному шару, суммарное энерговыделение, влияние на химический состав атмосферы. Однако остается нерешенными ряд важных вопросов: какова взаимосвязь гамма- и оптических транзиентов, какой механизм образования энергичных гамма квантов является основным, есть ли взаимосвязь между широкими атмосферными ливнями (ШАЛ) и появлением ТАЯ, и пр. Особый интерес вызывают наблюдения, проводимые в синем и ближнем УФ-излучении, поскольку этот спектральный диапазон ассоциируется в внутриоблачными и надоблачными процессами, которые могут иметь важное значение в механизме зарождения и формирования молниевого разряда. Одними из первых наблюдений и описаний таких событий были сделаны по данным спутников МГУ («Татьяна-1», «Татьяна-2», «Вернов»). В курсе излагаются основные методы регистрации и анализа экспериментальных данных в области оптических наблюдений атмосферных явлений с борта космического аппарата. Рассматриваются основные физические процессы разнообразной природы, приводящие к оптическому и УФ свечению атмосферы, экспериментальное оборудование по регистрации и исследованию процессов по оптическому излучению, а также способы обработки спутниковых данных на основе современных методов анализа научной информации. Цель курса: формирование первичных научных знаний у специалистов и магистров, позволяющих им понимать процессы, происходящие в атмосфере в связи с оптическими явлениями различной природы, методы регистрации и анализа данных космических экспериментов, чтобы при дальнейшем изучении дисциплины у обучающихся уже имелось представление об этом направлении физики в целом.
План курса:
Лекция 1
Общие сведения об атмосфере Земли. Строение и состав атмосферы. Модели атмосферы. Физические явления в разных слоях атмосферы, сопровождающиеся оптическим и УФ излучениями. Взаимодействие атмосферы Земли и ближнего космоса. Универсальность и преимущества оптических наблюдений с орбиты Земли: обзор потенциальных объектов изучения.
Лекция 2
Элементы оптики атмосферы. Виды излучений, виды рассеяния, спектральная прозрачность атмосферы. Свечение ночной атмосферы (atmospheric airglow). Картография излучения атмосферы. Пакеты программ моделирования и анализа оптических измерений через атмосферу: MODTRAN (MODerate resolution atmospheric TRANsmission), AURIC.
Лекция 3
Методика регистрации быстропеременного оптического и УФ свечения с борта ИСЗ. Оптические камеры и широкоугольные телескопы высокого временного разрешения. Особенности построения оптических систем, фотоприемных устройств и систем первичной обработки и анализа сигнала (fast signal processing) на примере телескопа Mini-EUSO.
Лекция 4
Оптические наблюдения аврорального свечения. Виды полярных сияний, форма, яркость, спектр, движение. Квазистационарное авроральное свечение. Пульсирующие полярные сияния. Пульсации аврорального свечения и высыпания электронов. Результаты совместных наблюдений наземной сети камер всего неба и спутниковых экспериментов DMSP, POES, FAST. Данные спутника Ломоносов. Проекты ATISE и AMICAL.
Лекция 5
Экваториальное свечение атмосферы. Механизм образования экваториальной аномалии, свечение. Результаты наблюдений GUVI. Наблюдения аномалии и свечений на низких широтах в экспериментах на спутниках МГУ.
Лекция 6
Оптические излучения грозовых областей. Атмосферное электричество. Глобальная электрическая цепь. Молниевые разряды и внутриоблачные процессы. Компактный внутриоблачный разряд. Методы и результаты оптических наблюдений на космических аппаратах. Проекты LIS/OTD, Geostationary Lightning Mapper на спутнике GOES-R.
Лекция 7
Транзентные световые явления в верхней атмосфере. Гипотеза Вильсона. Феноменология, классификация, физические механизмы образования, результаты наземных измерений и экспериментов на самолетах. Модель стриммерного разряда и пробоя на убегающих электронах. Электро-позитронные пучки и облака. Bottom-up и up-down сценарии. Эксперименты ISUAL на спутнике FOEMOSAT-2, JEM-GLIMS на МКС.
Лекция 8
Земные гамма-вспышки (Terrestrial Gamma-ray Flashes, TGF). Обнаружение и основные характеристики. Результаты экспериментов BATSE, RHESSI, Fermi. Особенности оптического излучения атмосферы при TGF и механизмы образования гамма-излучения. Эксперименты ASIM и TARANIS.
Лекция 9
Методы анализа данных оптических орбитальных инструментов. Обзор подходов для восстановления (реконструкции) пространственно-временных паттернов: кинематические алгоритмы, вероятностные методы, методы машинного обучения.
Лекция 10
Внегрозовые оптические явления. Вспышки Огелмана. Регистрация с борта шатла: TIGER event. Результаты спутниковых наблюдений МГУ: Татьяна-2, Вернов, Ломоносов, УФ атмосфера. Гипотезы происхождения внегрозовых вспышек: рассеянное свечение молнии, lightning-induced precipitation, conjugate point electron precipitation.
Лекция 11
Излучение широкого атмосферного ливня и его регистрация с орбиты Земли. Флуоресцентное и черенковское свечения ШАЛ. Методика регистрации ШАЛ КЛ ПВЭ с орбиты Земли. Проекты OWL, MASS, EUSO. Программа экспериментов JEM-EUSO. Проекты ТУС и КЛПВЭ.
Лекция 12
Излучение метеоров в атмосфере Земли. Особенности процесса прохождения через атмосферу. Метеорные потоки и изменение химического состава верхней атмосферы. Результаты наблюдений на орбитальной аппаратуре МГУ: детектора ТУС и «УФ атмосфера» на борту МКС.
Лекция 13
Атмосферные оптические проявления антропогенной деятельности.
Лекция 14
Методы и приборы для оптических наблюдений атмосферы на малых космических аппаратах нано класса. Особенности работы с МКА.
