КОСМИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ, 2015, том 53, № 1, с. 63-74
УДК 523.9
БЫСТРЫЕ ВАРИАЦИИ ВЕЛИЧИНЫ И НАПРАВЛЕНИЯ ПОТОКА ИОНОВ
СОЛНЕЧНОГО ВЕТРА
© 2015 г. Г. Н. Застенкер1, |В. В. Храпченков'|, И. В. Колоскова1, Е. А. Гаврилова1, Е. Е. Рязанова1, М. О. Рязанцева1,2,Т. И. Гагуа1, И. Т. Гагуа1, Я. Шафранкова3, З. Немечек3,
Л. Прех3, Я. Войта4
1Институт космических исследований РАН, г. Москва 2Научно-исследовательский институт ядерной физики им. Д.В. Скобельцына, МГУ им. М.В. Ломоносова
3Карлов Университет, г. Прага, Чешская Республика 4Институт физики атмосферы, г. Прага, Чешская Республика gzastenk@iki.rssi.ru Поступила в редакцию 07.10.2013 г.
В работе описываются результаты изучения вариаций величины и направления потоков ионов солнечного ветра, измерявшихся с высоким временным разрешением (до 31 мсек). В отличие от прежних работ, представлявших, в основном, измеренные с периодичностью в несколько минут величины, нами показано, что направление потока ионов в солнечном ветре может испытывать большие (до нескольких градусов) и быстрые (до нескольких секунд) вариации.
БО1: 10.7868/80023420615010094
1. ВВЕДЕНИЕ
Среди обширной литературы, посвященной изучению солнечного ветра (СВ), исследования по быстрым вариациям его направления представлены весьма мало. Можно только указать на работу [1], в которой этот вопрос как-то затрагивался, но и там рассматриваются вариации потока ионов в диапазоне нескольких минут. Во многих работах по изучению солнечного ветра рассматриваются быстрые вариации его параметров (см., например [2, 3]) , но там не содержится анализ изменений именно направления солнечного ветра. Задача, которая решалась нами в представляемой работе, состояла в изучении вариаций величины потока ионов солнечного ветра и углов его направления в диапазоне от долей секунды и до нескольких сот секунд.
Эта задача нам представляется важной в двух аспектах:
— для изучения процессов формирования солнечного ветра и его динамики при движении от Солнца к орбите Земли весьма существенно знать отклонение направления потока ионов солнечного ветра от радиального, т.е. от направления на Солнце;
— для анализа геоэффективности солнечного ветра важно знать амплитуду и частоту вариаций его направления, особенно в области достаточно высоких частот.
2. МЕТОДИКА ИЗМЕРЕНИЙ
Исследование солнечного ветра с очень высоким временным разрешением было проведено нами с помощью прибора БМСВ в составе эксперимента "Плазма-Ф" на высокоапогейном спутнике Земли Спектр-Р (см. работу [4]). Задачами этого эксперимента являются:
— систематическое мониторирование свойств плазмы солнечного ветра и плазмы магнитослоя;
— изучение вариаций солнечного ветра с очень высоким (рекордным) временным разрешением.
Спектрометр БМСВ (быстрый монитор солнечного ветра) детально описан в работах [5, 6]. Здесь мы отметим только, что в состав прибора, схематически показанного на рис. 1, входят три "осевых" датчика-цилиндра Фарадея РС0, ¥СЪ РС2, оси полей зрения которых направлены вдоль оси X основного блока прибора (ОБ) и три "отвернутых" датчика-цилиндра Фарадея РС3, РС4, РС5, имеющие направления осей полей зрения, отвернутые на 20° от оси Х прибора и развернутые друг от друга на 120° по азимутальному углу.
Прибор БМСВ был установлен на кронштейне солнечной панели спутника Спектр-Р так, чтобы осью X основного блока он был всегда направлен приблизительно на Солнце. Прибор снабжен собственным датчиком ДСС (см. рис. 1), позволявшим постоянно определять два угла направления оси X прибора на Солнце с точностью не хуже 0.1°. Три "осевых" датчика прибора БМСВ служат для определения энергетического распределения
БМСВ-ДСС
БМСВ-ОБ
Рис. 1. Схема расположения датчиков прибора БМСВ.
потока ионов, из которого затем вычисляются переносная скорость, температура, плотность ионов и содержание ионов гелия в СВ (см. работы [5—7]).
Быстрое определение величины и направления полного (т.е. интегрального по энергии) вектора потока ионов солнечного ветра с помощью прибора БМСВ производится на основе сопоставления показаний трех разнонаправленных "отвернутых" датчиков. Методика этого определения детально описана в работе [8] — из одновременных измерений трех токов этих датчиков с разрешением 31 мс проводится (при известном отношении направленной и тепловой скоростей потока ионов) вычисление трех параметров — величины полного потока F0 и двух его углов — полярного (т.е. угла между направлением потока и осью X прибора — угла 9) и азимутального (т.е. угла в плоскости, перпендикулярной оси X, между проекцией направления потока на эту плоскость и осью У прибора — угла ф) — см. рис.1. Это вычисление опирается на расчет и измерения угловых характеристик датчиков, описанные в [7].
При этом определяющим параметром задачи является отношение переносной скорости потока ионов к их тепловой скорости, т.е. отклики датчиков зависят только от этого отношения, а не отдельно от переносной и тепловой скоростей потока ионов СВ. Ширина угловой характеристики используемых датчиков при низких температурах потока ионов (менее 3 эВ) составляет +/— 50° и
заметно возрастает с увеличением температуры (см. [7, 8]).
Здесь необходимо остановиться на величине минимально обнаружимой вариации углов и погрешности определения углов по нашему способу измерений и анализа их данных. Этот вопрос был детально изучен в работе [8] на основе последовательного решения "прямой задачи" (т.е. вычисления откликов всех трех "отвернутых" датчиков ([С3, FC4, FC5) при различных значениях полного потока ионов, полярного и азимутального углов его направления относительно оси X прибора БМСВ и величины отношения скоростей, задаваемого в широком диапазоне), а затем решения "обратной задачи" (т.е. определения по описанной в работе [8] методике и вычисленным значениям токов "отвернутых" датчиков величин полного потока ионов и углов его прихода) и сравнения результатов этого определения с заданными значениями указанных величин.
Такой способ анализа позволил получить следующие результаты:
— минимально обнаружимым является отклонение направления потока ионов от оси прибора на 0.1°—0.3° (в зависимости от значений отношения скоростей);
— при значениях полярного угла менее 25° и сравнительно низких значениях переносной и тепловой скоростей ионов (температура ионов не выше 30 эВ при скорости СВ не ниже 300 км/с) погрешность в определении полного потока будет составлять не более 10%, абсолютная погрешность в определении полярного угла — не более 1°—2°, погрешность в определении азимутального угла — не более 5°, что следует считать вполне приемлемым для наших целей;
— однако при возрастании полярного угла выше 25° погрешности определения всех параметров довольно быстро возрастают, например, при полярном угле потока в 30° погрешность определения полного потока достигает уже 15%, а полярного угла — в 3°;
— при сильном возрастании температуры ионов (до 30—100 эВ) верхняя граница области малых погрешностей смещается от полярных углов 20°—25° к углам 35° и даже 55°.
Численным моделированием было показано, что ошибки в измерении токов датчиков около 5% (это реальная точность измерений прибора) в рабочем диапазоне полярных углов (не более 25°) увеличивают погрешность в определении полного потока также примерно на 5% и полярного угла — не более, чем на 1°—2° Таким же образом были определены границы допустимого отворота оси X прибора от его нормальной ориентации для правильной работы процедуры определения величины и направления потока ионов. Такой эмпирической границей оказалось условие, чтобы ток каждого "отвернутого" датчика был не менее 1%
от суммы токов всех "отвернутых" датчиков, что соответствует отвороту оси X прибора на угол не более 20° от направления на Солнце.
Существенным является вопрос о влиянии на точность определения параметров потока ионов сделанного в процедуре [8] предположения об изотропном максвелловском характере распределения ионов СВ по энергии. Здесь ситуация облегчается тем обстоятельством, что "отвернутые" датчики прибора БМСВ являются интегральными, т.е. регистрирующими все ионы, попадающие на их входные окна, без их селекции по энергии.
Поэтому возможное отличие характера распределения от максвелловского (например, так называемое каппа-распределение, которое сильно сказывается, главным образом, на уровне высокоэнергичных "хвостов" распределения и мало изменяет его основное "тело") будет весьма слабо влиять на величины токов "отвернутых" датчиков, т.е. не будет оказывать заметного воздействия на определение параметров потока ионов. Влияние предположения об изотропии примыкает к оценке влияния неточности в определении величины температуры ионов на определение из наших измерений величины и направления потока ионов. Здесь также путем численного моделирования было показано, что при средних значениях параметров (полярный угол в пределах 5°— 25°, температура в пределах 3—30 эВ, скорость СВ в пределах 300—500 км/с) ошибка в определении температуры в 2 раза (а это покрывает возможное влияние анизотропии) приводит к возрастанию погрешностей определения полного потока всего на 3—5% и полярного угла на 1°—2°.
Полученные по процедуре [8] значения указанных углов подвергались необходимой обработке:
— углы переводились в геоцентрическую солнечно-эклиптическую координатную систему GSE (— ось XSE направлена от Солнца, ось ZSE — в полюс эклиптики, УЗЕ — дополняет их до правой тройки) с учетом ориентации солнечной панели, определявшейся из данных космического аппарата и уточнявшейся по данным датчика ДСС;
— проводился учет угла аберрации путем вычитания из полученного по процедуре [8] значения вектора скорости компонент скорости, определяемых как движением Земли вокруг Солнца, так и движением спутника по своей орбите по реальным значениям скоростей этих движений, получаемых из баллистических данных о движении спутника.
3. ПРИМЕРЫ ВАРИАЦИЙ ВЕЛИЧИНЫ И НАПРАВЛЕНИЯ ПОТОКА ИОНОВ
Рассмотрим некоторые примеры данных по величине и направлению вектора потока ионов солнечного ветра. На рис. 2, представляющем довольно типичный период наблюде
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.