Члены команды Альберт Риско Патино и Эллен Робертсон собирают блок электроники для инструмента APES, который сможет запустить зондирующую ракету. Информация от:: НАСА GSFC.
Энергичные электроны, которые приводят в движение северное сияние (северное сияние), имеют богатую и очень динамичную структуру, которую мы в настоящее время до конца не понимаем. Большая часть того, что мы знаем об этих электронах, получена от инструментов, которые имеют фундаментальные ограничения в способности измерять различные энергии с высоким временным разрешением.
Чтобы преодолеть эти ограничения, НАСА использует инновационный подход к разработке приборов, которые расширят наши измерительные возможности более чем на порядок, открывая массу новой информации об удивительной физике, происходящей в полярных сияниях.
Типичные электронные приборы используют метод, называемый электростатическим отклонением, который требует изменения напряжения для выбора различных энергий электронов для измерения. Эти инструменты использовались во многих различных космических миссиях и обеспечили почти все электронные измерения, сделанные внутри полярного сияния.
Они отлично работают при наблюдениях на временных масштабах в несколько секунд или даже примерно до десятых долей секунды, но принципиально не могут вести наблюдения на меньших (миллисекундных) временных масштабах из-за времени, необходимого для прохождения напряжения.
Наземные оптические наблюдения за полярным сиянием показали, что могут происходить быстрые пространственные и временные изменения, которые выходят за рамки наблюдательных возможностей традиционных электронных инструментов. Поэтому сотрудники геофизической лаборатории Центра космических полетов имени Годдарда НАСА разработали прибор под названием «Спектрометр острого осаждения электронов» (APES), который может измерять высыпание электронов внутри полярного сияния с частотой в одну миллисекунду.
APES использует сильное магнитное поле внутри прибора для разделения электронов с разной энергией на разные пространственные области детектора. Этот метод позволяет прибору одновременно измерять весь энергетический спектр электронов с очень высокой скоростью (каждые 1 мс).
-
Спектры осаждающихся электронов измерены внутри полярного сияния с временным разрешением в одну миллисекунду с использованием прибора APES в ходе полета ракеты-зонда «Визуализация истечения ионов с помощью зондирования нейтральных атомов-2» (VISIONS-2). Весь этот график охватывает период в 300 миллисекунд. Наклонные красные полосы в середине рисунка находятся на расстоянии порядка 10 миллисекунд друг от друга. Информация от:: НАСА GSFC.
-
Проект механической сборки секции магнитной оптики АПЭС-360. Настоящие магниты — это оранжевые прямоугольники посередине. Входное отверстие представляет собой промежуток между зеленой и красной внешними полосами. Информация от:: НАСА GSFC.
-
Магнитная сборка прототипа прибора APES-360 для одновременного измерения электронных спектров в 16 различных направлениях. Информация от:: НАСА GSFC.
При разработке APES пришлось пойти на один важный компромисс. Чтобы геометрия магнитного поля работала правильно, прибор может наблюдать только в одном направлении. Эта концепция хорошо работает, если цель состоит в том, чтобы просто измерить высыпающиеся (нисходящие) электроны в полярном сиянии, которые в конечном итоге попадают в атмосферу. Однако мы знаем, что электроны в полярном сиянии движутся и в других направлениях; на самом деле эти электроны содержат много информации о других физических процессах, происходящих дальше в космосе.
Чтобы обеспечить возможность измерения электронов более чем в одном направлении, команда Годдарда разработала концепцию прибора APES-360. Для создания конструкции APES-360 команда использовала те же принципы работы, что и в APES, но обновила их, чтобы приспособить геометрию нескольких направлений, которая охватывает поле обзора на 360 градусов с использованием 16 различных секторов.
Для разработки концепции APES-360 команде пришлось преодолеть несколько технических проблем. В частности, конструкция электроники должна была разместить на небольшой площади гораздо больше анодов (поверхностей обнаружения заряда) и связанных с ними схем.
Прототип APES-360, который сейчас строится, будет испытан и откалиброван в Годдарде и зимой 2025 года полетит на зондирующей ракете в активное полярное сияние. Этот полет предоставит реальные данные изнутри полярного сияния, которые будут использоваться для проверить работоспособность прибора и предоставить информацию для будущих усовершенствований конструкции.
Прибор APES-360 разрабатывается с учетом форм-фактора CubeSat, чтобы его можно было использовать в будущих миссиях CubeSat по изучению полярного сияния. В конечном итоге прибор также можно будет использовать в более крупных орбитальных миссиях.
