Спутник ДЕКАРТ (АУРА-2)

АУРА-2 - модифицированный вариант 4-х канального фотометра АУРА с улучгенным временным разрешением и дополнительной буферной памятью. Это позволяет более детально прописывать профиль свечения ночной атмосферы Земли вдоль траектории космического аппарата.

1. Назначение прибора:

Мониторинг свечения ночной атмосферы Земли в ближнем УФ диапазоне (200-400 нм) с целью исследования его глобальной пространственной структуры и временных вариаций. Временное разрешение 1 с.

2. Объекты исследования:

• Свечение грозовых областей
• Антропогенное свечение атмосферы
• Свечение полярных областей
• Свечение экваториальной аномалии

3. Состав прибора:

• Детекторный модуль – 4 кремниевых фотоэлектронных умножителя фирмы SensL и 4 датчика температуры.
• Процессорный модуль – плата обработки данных, записи и передачи информации на борт КА.

Два центральных SiPM направлены соосно в надир, а у крайних поле зрения направлено под углом и составляет от 22° до
45°. В центральных каналах используются 2 фильтра: УФС 1 и FF01-375/110, крайние работают без светофильтров.

Рисуно 1 - Фотография детектора АУРА-2.

Основная цель работы состояла в проверке работоспособности и стабильности фильтра FF01-375/110, и возможности его использования в дальнейших орбитальных измерениях транзиентных световых явлений в атмосфере Земли, в том числе, широких атмосферных ливней (ШАЛ). Особенность этого фильтра, в отличие от стеклянных УФС1 состоит в том, что в его спектре пропускания отсутствует красная часть, а в УФ-части полоса уже и лучше соответствует спектру флуоресценции молекулярного азота. Таким образом, потенциально, этот фильтр должен улучшить соотношение сигнал/шум для таких измерений.

Но использование двух разных фильтров делает потенциально возможным различать вспышки разной природы. Впервые такая методика была реализована на спутнике «Университетский-Татьяна-2», где на двух фотоэлектроных умножителях детектора ДУФ были установлены широкополосные светофильтры УФС1 и КС11.

Для анализа возможности определения типа события по соотношению сигнала в различных каналах было проведено моделирование с использованием спектров молний и спрайтов [Orville et al., 1984; Milikh et al., 1998], и с учетом прозрачности атмосферы в зависимости от высоты разряда, а также спектральных характеристик аппаратуры.

Зависимость эффективности регистрации SiPM от длины волны, спектральные характеристики фильтров приведены на рис. 2, а спектральная прозрачность атмосферы, получена с помощью модели MODTRAN.

Рисунок 2 – Спектральные характеристики элементов детектора АУРА-2. Слева: зависимость эффективности фоторегистрации SiPM MICROFC-60035 от длины волны. Справа: зависимость Коэффициента пропускания фильтров УФС1 и FF01-375/110 от длины волны.

Спектр в источники проходит трассировку через атмосферу, и оптические элементы детектора (фильтры и фотокатод). При этом, для события типа «спрайт» атмосфера считается прозрачной, т.к. разряд происходит на высотах порядка 80 км. Результаты расчетов спектров показаны на рис. 3. Слева – для исходного спектра спрайта (черная линия), красная и синяя линии показывают спектр после прохождения атмосферы, SiPM и фильтров (УФС1 и FF01-375/110, соответственно). Отношение сигналов (R_FF/UFS) для данных входных параметров получается 1,42 для спектра молнии и 0,78 для спектра спрайта.

Затем было проведено варьирование различных параметров в модели атмосферы, чтобы проверить устойчивость результата и его зависимость от содержания водяного пара, СО₂, толщины озонового слоя. Было показано, что рассчитанные отношения для двух каналов регистрации меняются, но в незначительных диапазонах. Для молнии отношение лежит в диапазоне 1,4–1,5, а для спрайта 0,7–0,8. При этом важно отметить, что в данном моделировании не учтена роль облачности. Но очевидно, что основное влияние рассеяния в облаке, как рэлеевское, так и ми будет оказываться на УФ-часть спектра, а значит значение отношения R_FF/UFS будет для молнии больше указанных величин.

Рисунок 3 – Слева: спектр спрайта, справа: спектр молнии. Черные линии – исходные спектры, красные – после трассировки через атмосферу и фильтра УФС1, синие линии – после трассировки через атмосферу и фильтра FF01-375/110.

Сравнение с экспериментальными данными

Включения прибора АУРА на спутнике ДЕКАРТ происходили дважды: 13.09.2021 и 09.12.2021. Во время второго включения были зарегистрированы серии вспышек на которых можно было получить соотношения в двух каналах регистрации и проверить результаты моделирования.

Одна серия вспышек приведена на рис. 4. На нем показаны осциллограммы сигналов двух SiPM. Видна последовательность пиков, первая из которых выделяется своей амплитудой. Ее длительность нельзя оценить, так как его структуру определяет лишь одна точка в пике. Поскольку временное разрешение детектора составляет 10 мс, то это верхняя оценка длительности вспышки. Длительность же послесвечения составляет около 130 миллисекунд и можно пронаблюдать его структуру.

Рисунок 4 – Серия вспышек, наблюдавшихся в 14:15:40 UTC; -6,8°; 166,96°. На рисунке время отложено от момента включения прибора.

Амплитудные характеристики вспышек и полученные отношения представлены в таблице 1. Для каждого пика представлены значение кода АЦП, амплитуда пика (максимум сигнала за вычетом фонового значения) и рассчитанное отношение R_FF/UFS. Видно, что все значения превышают 1, что соответствуют ожидаемым величинам отношения сигнала в каналах от разряда молний.

Для другой серии вспышек, наблюдавшихся позже, значения отношения еще больше (около 2 и 3), что соответствует спектру молнии с учетом рассеяния в облаке, т.е. они также не могут быть отнесены к типу TLE спрайт.

Таблица 1 Амплитуды сигнала и отношение R_FF/UFS для вспышек, показанные на рис. 4.