Проект СФЕРА

Проект СФЕРА

Основные цели эксперимента     Физические задачи

 Проект СФЕРА осуществляется совместно ФИАН и НИИЯФ МГУ с участием ИЯИ РАН, НИИ ПФ ИГУ и других институтов. Проект финансируется по теме Президиума РАН ”Нейтринная физика” и в 2006-08 гг. за счет гранта РФФИ N06-02-16198.

 Основной целью Проекта СФЕРА является изучение КЛУВЭ (космических лучей ультра высоких энергий, E>10¹⁹эВ). Поведение их энергетического спектра при энергиях выше 5*10¹⁹эВ  является одной из наиболее важных проблем современной астрофизики. Из-за эффекта реликтового обрезания спектра КЛ, предсказанного Зацепиным-Кузьминым-Грейзеном (ГЗК-эффект), источники КЛУВЭ должны находиться в пределах 30-50 Мпс. В этом случае в нашей Галактике или Метагалактике должны присутствовать неизвестные астрономические объекты с гигантским выделением энергии.

 При энергиях E>10¹⁹эВ гирорадиус протонов в магнитном поле Галактики на порядок превышает толщину  диска Галактики, поэтому источники должны быть видны по создаваемой ими анизотропии в направлениях прихода КЛУВЭ. Результаты измерений, выполненных в России (Якутия) и Японии (эксп. AGASA), с одной стороны, указывают на отсутствие обрезания в спектре КЛУВЭ, а с другой, на отсутствие значительной анизотропии в направлениях их прихода. Наблюдаемое противоречие может быть связано с новой физикой, что требует экспериментального изучения проблемы.

 Основная проблема получения достоверных данных связана с чрезвычайно малой интенсивностью событий в конце наблюдаемого энергетического спектра КЛ. При энергиях выше 10²⁰эВ она составляет 1 событие на км² за 100 лет, поэтому эффективные площади установок должны составлять тысячи и десятки тысяч км². В этом смысле большие перспективы дает регистрация люминесцентного и черенковского излучения ШАЛ в атмосфере. Соответствующие детекторы, расположенные на высотных аэростатах или спутниках, способны “просматривать” достаточно большие площади, чтобы обеспечить требуемый геометрический фактор регистрации.

 Антарктический эксперимент “СФЕРА” реализует идею А.Е. Чудакова (1972г) о регистрации черенковского света ШАЛ, отраженного от снега, и прямого люминесцентного света ШАЛ. Идея изучения энергетического спектра ШАЛ с помощью Черенковского излучения, проста и элегантна. Черенковское излучение ШАЛ сконцентрировано в очень узком угле (градусы) относительно его оси. Однако если регистрировать свет, отраженный от снежной поверхности (Ламбертово отражение), то ось ШАЛ не обязательно должна проходить через регистрирующую установку и за счет этого геометрический фактор установки может увеличиваться до 10⁸-10⁹ раз!

 Схема эксперимента приведена на Рис.1. Сферическое зеркало диаметром 1.5 м с мозаикой из ФЭУ (~100) в его фокусе поднимается аэростатом над снежной поверхностью (фото). Подготовительный этап эксперимента закончен. Планируется еще два этапа эксперимента. На первом (оз. Байкал) установка поднимается привязными аэростатами на высоты 1-3 км, что позволяет измерять спектр КЛ в интервале 10¹⁶-10¹⁸эВ. На втором этапе используются свободные аэростаты, поднимающие установку на высоты 30-40 км. Полет предполагается в циркум-полярном вихре над Антарктидой вокруг Южного Полюса. В этом случае геометрический фактор установки составляет уже ~3000км², что позволяет проводить измерения спектра КЛ при ультравысоких энергиях 10¹⁸-10²⁰ эВ и исследовать ГЗК-эффект (Грейзен-Зацепин-Кузьмин), связанный с возможным обрезанием спектра КЛ на реликтовом излучении.

 

Рис. 1  Схема эксперимента и подъем установки СФЕРА привязным аэростатом над озером Байкал (2008 г.)

 Первый этап работы (эксперимент “СФЕРА-1”) в настоящее время закончен. Он включал в себя практическую проверку возможности проведения измерений в Антарктиде. Работа велась на ст.Новолазаревская с использованием привязного аэростата. С помощью установки “СФЕРА-1” было проведено измерение фонового света звездного неба и выполнен первый пробный сеанс измерений при подъеме установки на высоту 1 км. Установлены договорные отношения с ААНИИ и приобретен опыт работы в составе Российских Антарктических Экспедиций (РАЭ).

 Второй этап рассчитан на 2007-2012 годы и включает:
 1) Создание оптической части и регистрирующей электроники установки “СФЕРА-2”.
 2) Создание аппаратуры для контроля состояния атмосферы и отражающей поверхности.
 3) Создание системы питания и контроля работы аппаратуры.
 4) Установка GPS и получение координат аппаратуры on-line.
 5) Испытание аппаратуры в реальных условиях измерений на оз.Байкал с помощью привязного аэростата (высота 1-3 км).
 6) Изучение энергетического спектра и ядерного состава ПКЛ в области энергий 10¹⁶ – 10¹⁸эВ.
 7) Выбор возможного места запуска установки СФЕРА-2 в Антаркиде и проведение подготовительных работ.
 8) Трассировка полетов в Антарктиде с помощью небольших аэростатных зондов.

 Основные научные цели работ на этом этапе:
 1. Повышение точности измерения энергетического спектра  и чувствительной к ядерному составу ПКЛ формы функции пространственного распределения черенковского света ШАЛ (ФПР ЧС). Обеспечение возможности регистрации как черенковского  света ШАЛ, так и треков ионизационного свечения ШАЛ в атмосфере.
 2. Поиск изменений формы  ФПР ЧС и изучение ФПР ЧС на больших расстояниях от оси ливня.
 3. Сравнение методов измерения энергии ШАЛ по полному интегралу черенковского света ШАЛ, плотности фотонов на определенном расстоянии (ФПР ЧС), люминесцентному свету ШАЛ и данным о полном числе электронов N_e, измеряемом наземными установками.
 4. Поиск бампа в спектре КЛ при энергии ~10¹⁷эВ методом ЧИ ШАЛ.

 Третий этап является основным и включает серию высотных полетов установки “СФЕРА-2” с целью:
 - измерения энергетического спектра КЛ в области энергий  E>10¹⁸эВ;
 - поиска локальных источников КЛ;
 - определения состава КЛ в области энергий E>10¹⁸эВ;

 К настоящему времени (2009 г.) проведено четыре экспедиции на оз.Байкал (второй этап).
 В 2006 г. был проведен выбор места.
 В 2007 г. собиралась техника для подъема аэростата, изготавливалась аппаратура установки СФЕРА-2 и  отрабатывалась методика подъема аэростата в условиях оз. Байкал.
 В 2008 г. был изготовлен привязной аэростат АПА и осуществлен его пробный подъем с минимальным вариантом аппаратуры.
 В 2009 г. начаты измерения спектра КЛ установкой СФЕРА-2.

 Подготовка полета в Антарктиде.

 Подъем аэростата предполагается осуществить на станции Прогресс,т.к. по планам РАЭ эта станция должна стать базовой, на ней модернизируется аэродром для приема тяжелых самолетов и в районе этой станции наименьшие ветра, что крайне важно для осуществления подъема аэростата. Ниже приводятся данные о станции Прогресс, полученные во время 50-й Российской антарктической экспедиции 2005 года.

 Станция  Прогресс

 Станция Прогресс расположена в Восточной Антарктиде на  Земле Принцессы Елизаветы, в оазисе Холмы Ларсеманн на восточном побережье залива Прюдс, географические координаты: 69°23’S; 76°23’E. Станция защищена холмами от господствующих ветров, поэтому климат более мягкий и скорости ветра меньше по сравнению с другими прибрежными станциям (~5 м/сек). Наряду с проведением научных наблюдений в задачи станции входит выполнение функций транспортного узла РАЭ, включающего базу для внутриконтинентальных походов, аэродром для приема тяжелых самолетов и самолетов средней и малой авиации.

 Энергообеспечение
 Дизельная электростанция станции Прогресс оснащена тремя дизель-генераторами мощностью 75кВт. В начале 2004 года на станцию доставлена дополнительная ДЭС мощностью 100кВт. Для обеспечения работы электростанции и транспортных средств на станции Прогресс имеется  база ГСМ, состоящая из пяти емкостей по 25 куб.м и четырех по 50 куб.м, две расходные емкости ДЭС по 25 куб.м. Общая вместимость - 375 куб.м. В настоящее время для станции (с учетом строительных работ в годовом цикле) необходимо 300 тонн дизельного топлива.

 Наземные транспортные средства
 В настоящее время станция располагает следующими транспортными средствами:
 * гусеничный транспортер  ГТТ            -1
 * гусеничный транспортер ГАЗ-71      - 1
 * гусеничный трактор  Т-170                 -1
 * трактор с манипулятором ЛХТ-55      -1
 * автокран К-3577 грузоподъемностью 10 тонн  - 1.
 Состояние транспортных средств станции удовлетворительное.
 Для проведения строительных работ на станцию дополнительно завезено:
 - буровые машины - 2 шт.;
 - трактор с ковшом – манипулятором;
 - транспортер ГАЗ-71.

 Авиационное обеспечение
 Авиационный комплекс станции находится в стадии формирования. Начато сооружение стационарной вертолетной площадки (ввод в эксплуатацию запланирован на 2005 год). В 1985-88гг. была проведена опытная укатка снежно-ледовой взлетно-посадочной полосы (ВПП) для приема тяжелых самолетов на колесных шасси. Проект этой ВПП был переработан в 2001-2002 гг., его реализация запланирована на 2005-2006 гг. В настоящее время ВПП станции может принимать только самолеты на лыжном шасси. Все операции по снабжению станции производятся с помощью вертолетов с борта научно-экспедиционного судна.

 Радиообеспечение, связь
 Станция оснащена следующими системами связи и коммуникаций:
 - терминал спутниковой связи «Инмарсат – С» (телекс);
 - терминал спутниковой связи  «Инмарсат – В» (телефон, факс, передача данных);
 - ПВ-КВ трансивер мощностью 1 кВт типа «Баррет» для связи с другими станциями, базами и судами в Антарктике.
 Для обработки и передачи данных измерений на станции имеется 5 компьютеров.  Оборудование и оргтехника ежегодно обновляется. В целом, обеспечение станции Прогресс средствами связи и оргтехники находится на удовлетворительном уровне.

 Международное сотрудничество
 Станция Прогресс расположена в непосредственной близости от станций и баз Китая и Австралии, поэтому контакты персонала российской станции с иностранцами осуществляются достаточно часто. Наиболее тесные и постоянные контакты складываются с полярниками соседней китайской зимовочной станции Зонг-Шан, сотрудничество с которыми носит взаимовыгодный характер.
 Австралийские специалисты на сезонной полевой базе, кроме выполнения  научных программ, большое внимание уделяют наблюдению за выполнением положений Протокола по охране окружающей среды на российской и китайской станциях. Взаимоотношение этих станций и баз по природоохранным вопросам регулируется  трехсторонним межэкспедиционным соглашением о совместном управлении районом оазиса Холмы Ларсеманн.

 Основные выводы и результаты работы

 Изучение данных аэрологии на береговых станциях показывает, что преимущественно восточные ветры сохраняют направление до высот около 10 км и выше меняют его на почти противоположное. Это означает, что полет высотного аэростата в зимнее время должен проходить с запада на восток.
 В нижней части атмосферы центр ветров не совпадает с географическим полюсом и сдвинут по отношению к нему на 1000-1500 км вдоль меридиана ~90^oв.д. Его положение зависит от многих факторов, меняется с сезоном и конкретной климатической обстановкой, но в зимнее время находится в области близкой к полюсу холода и наиболее высоким областям Восточной Антарктиды (~4000 м.н.у.м.). На высотах 30-40 км центр ветров практически совпадает с географическим полюсом. Однако изучение полетов американских аэростатов в летнее время показывает, что траектории полета не являются замкнутыми и их разброс  в меридиональном направлении может составлять сотни километров.

1. Выбор места пуска аэростата и его подбора
 При выборе места пуска, ст.Мирный можно исключить сразу. Из-за постоянных и сильных стоковых ветров это наиболее неудобное место. Остаются станции Новолазаревская и Прогресс. С точки зрения существующей инфраструктуры станций преимущества на стороне ст.Новолазаревская. Главное, здесь существует аэрологическая аппаратура, включая локатор, что позволяет контролировать запуск, хотя бы на начальной стадии. Большое значение также имеет наличие квалифицированного персонала, обученного работе с газом, и способного участвовать в работах по пуску аэростата. Однако, представляется, что решающим условием при создании аэростатного полигона является скорость ветра в приземном слое. Средняя сила ветра на ст.Прогресс  почти вдвое меньше, чем на ст.Новолазаревская.
 Анализ рельефа местности и спутниковых снимков показывает, что с точки зрения подбора аппаратуры, наиболее “спокойной” является область ~80^o в.д. и восточнее. Принципиально важным является наличие в этом районе ежегодного похода на ст.Восток. В Антарктических условиях невозможно точно прогнозировать трассу полета аэростата. Разброс точки прихода может составлять сотни километров в меридиональном направлении. В этих условиях, практически безнадежно планировать подбор аппаратуры на станции запуска. С другой стороны, организация специального похода для подбора аппаратуры связана с большими материальными, техническими затратами, как правило, требует предварительной аэрофоторазведки и не всегда возможна.
 Поход Мирный-Восток имеет длину трассы 1500 км от побережья вглубь материка и, если трасса полета аэростата не отклонится в сторону океана, то она почти наверняка, где то должна пересечь трассу похода. Проблема в этом случае заключается в том, чтобы “положить” аппаратуру как можно ближе к трассе похода и обеспечить работу радиомаяка до его прихода. Полет аэростата планируется в июне-июле месяцах. Поход же обычно выходит в октябре, поэтому подбор возможен лишь примерно через полгода после приземления. Это налагает особые требования на конструкцию подвески аэростата и работу радиомаяка.
 Точку приземления можно зарегистрировать довольно точно по данным GPS, однако представляется, что работа радиомаяка непосредственно в момент подбора существенно упростит поиск аппаратуры. Это требует создания источника питания, способного обеспечить энергией маячок в течение полгода, либо начать работу после перерыва в полгода, возможно по сигналу со спутника или земли.  Последний вариант представляется более экономичным, но предполагает ждущий режим аппаратуры, сохраняемый на протяжении полугода. Возможные варианты необходимо прорабатывать и испытывать в условиях наиболее приближенным к арктическим.
 Конструкция подвески аэростата должна обеспечить сохранность аппаратуры при приземлении на парашюте, ограничение скольжения аппаратуры под действием ветра в момент приземления и снизить вероятность заноса подвески снегом в период ожидания. Одним из вариантов может быть конструкция в виде ежа пирамидоидальной формы, обеспечивающей подъем контейнера над поверхностью снега в 2-3 метра, так чтобы не задерживать поземку.

 2. Слежение за траекторией полета аэростата и телеметрия
 Отсутствие 100% гарантии подбора аппаратуры после ее приземления требует создания системы телеметрии, обеспечивающей надежный сброс, накопленной в течении полета информации, на наземные станции. Для проведения сеансов сброса информации, прогнозирования точки приземления и момента команды на отстрел оболочки аэростата необходима система его позиционирования   в процессе полета, работающая on-line и способная передавать информацию на землю таким образом, чтобы ей мог воспользоваться персонал, управляющий полетом.
 Возможны два варианта:

 1) Спутниковый
 2) Вариант прямой радиосвязи аэростат-земля, с какой либо антарктической станцией, например Мирный, в пределах прямой видимости.
 Представляется, что следует реализовывать оба этих варианта, но с разными целями.
 Первый вариант (спутниковый) необходим для определения реальной трассы аэростата в процессе полета и определения точки отстрела аэростата и спуска аппаратуры. При этом координаты аэростата могут определяться с помощью коммерческой спутниковой системы GPS (США), передаваться на землю, например, с помощью системы ИнМорСат и поступать в Интернет. Стоимость такого оборудования составляет примерно 3000 $ США. Желательно, чтобы эта информация поступала также и на управляющую аппаратуру одной из антарктических станций (Мирный), хотя бы на завершающем этапе полета. В этом случае в общую стоимость необходимо включить  стоимость канала передачи информации.
 Второй вариант используется для передачи данных, накопленных в течении полета. Для надежности полезно организовать пункт приема данных на всех станциях: Новолазаревская, Прогресс и Мирный, куда информация будет сбрасываться по мере подлета аэростата. Кроме того, со станции Мирный должен подаваться на аэростат сигнал приземления при его подлете к трассе Мирный-Восток.