АСТРОНОМИЧЕСКИЙ ВЕСТНИК, 2008, том 42, № 3, с. 195-205
УДК 523.98
МАГНИТОСФЕРНЫЙ ИСТОЧНИК УВЧ-РАДИОВСПЛЕСКОВ НА СРЕДНИХ ШИРОТАХ ВО ВРЕМЯ МАГНИТНОЙ БУРИ
22 ОКТЯБРЯ 1999 ГОДА
© 2008 г. А. В. Дудник*, А. В. Дмитриев**
*Харъковский национальный университет им. ВН. Каразина, Украина **Научно-исследовательский институт ядерной физики им. Д.В. Скобельцына МГУ им. М.В. Ломоносова, Москва, Россия Поступила в редакцию 10.02.2007 г.
Обсуждаются результаты одновременных наблюдений флуктуаций межпланетного и геомагнитного полей, параметров солнечного ветра и метрового радиоизлучения околоземного пространства на средних широтах (вблизи г. Харьков) по данным наземных измерений накануне и в течение уникальной магнитной бури 22 октября 1999 г. С целью поиска взаимосвязи всплесков УВЧ-радиофона на частоте 151 МГц проводится анализ динамики потоков электронов в межпланетном пространстве, на геостационарной орбите и в магнитосфере. Делается вывод о возможном влиянии ускорительных процессов во внутренних слоях магнитосферы на процессы генерации высокочастотных радиовсплесков и необходимости дальнейшего изучения этого феномена с помощью приборов НИИЯФ МГУ, установленных на борту ИСЗ "КОРОНАС-Ф".
РДСБ: 94.30.-d
ВВЕДЕНИЕ
Спорадические радиовсплески фона в метровом и дециметровом диапазонах длин волн генерируются эффективно после тех солнечных вспышек, которые сопровождаются выбросами больших масс низкоэнергетических частиц и плазменных неодно-родностей (Дудник, 2000). Ударные волны, которые формируются в короне Солнца или в межпланетном пространстве, а также высокоскоростные потоки солнечного ветра, вызывают не только магнитные бури в земной магнитосфере, но и генерацию высокочастотных радиовсплесков. Учитывая высокую частоту радиоизлучения (сотни МГц), мы сделали оценки интенсивности синхротронного излучения энергичных электронов внутреннего радиационного пояса в магнитном поле Земли (Dudnik, 1996). Результаты получились обнадеживающими на высотах ~100-200 км, где напряженность магнитного поля достаточно высока в сравнении с более отдаленными от поверхности Земли зонами. Однако экспериментального подтверждения проведенных оценок до сих пор проведено не было. Целью настоящей работы было изучение взаимосвязи всплесков УВЧ-радиофона на частоте 151 МГц с динамикой потоков электронов в межпланетном пространстве, на геостационарной орбите и в магнитосфере с привлечением данных о флуктуациях межпланетного и геомагнитного полей, параметров солнечного ветра накануне и в течение уникальной магнитной бури 22 октября 1999 г.
НАЗЕМНАЯ АППАРАТУРА ДЛЯ МОНИТОРИНГА ФОНОВОГО ВЧ-РАДИОИЗЛУЧЕНИЯ
Спорадическое радиоизлучение околоземного космического пространства имеет широкополосный характер - наблюдается одновременно на частотах от 30 МГц до 1000 МГц (Абросимов и др., 1991). Принимая во внимание это обстоятельство и учитывая удобную для работы длину волн, для приема магнитосферных радиошумов мы выбрали частоту 151 МГц метрового диапазона радиоспектра. Кроме того, на этой частоте фон космических радиошумов еще достаточно высокий, поэтому не было необходимости разрабатывать и создавать антенную систему с высоким коэффициентом усиления и узкой диаграммой направленности. В качестве антенной системы служит синфазная решетка из четырех антенн (2 х 2), каждая из которых представляет собой многоэлементную антенну типа "волновой канал".
Предусмотрена также возможность механического отклонения максимумов диаграмм направленности от вертикального положения на углы от 0° до 90°. Среди технических параметров антенны можно выделить основные: коэффициент усиления антенн по отношению к полуволновому вибратору 15 дБ, полная ширина диаграммы направленности в электрической плоскости Е: ~34°.
Слабые сигналы от антенной решетки принимаются малошумящим предварительным усилите-
лем, расположенным непосредственно под антенной, доусиливаются и преобразовываются радиоприемником супергетеродинного типа с двойным преобразованием частоты, расположенным в измерительной лаборатории. Полоса пропускания приемника Af = 3 МГц. Минимальная регистрируемая системой спектральная плотность потока радиоизлучения 10-21 Вт/(м2 Гц).
Для автоматизации измерений в системе мониторинга уровня фона радиоизлучения магнитосферы Земли используется персональный компьютер, дополненный универсальным программируемым контроллером "СЭТУ-10". Контроллер установлен на шину ISA компьютера и служит для обеспечения взаимодействия с внешними устройствами в реальном масштабе времени. Контроллер содержит 10-разрядный аналогово-цифровой и цифро-аналоговый преобразователь, 8-канальный коммутатор входных аналоговых сигналов, модуль цифрового ввода-вывода, имеющий 4 программируемых порта, 3-канальный программируемый модуль таймера и модуль прерываний.
Для автоматизации ежедневных наблюдений разработан комплекс программ, позволяющий вести наблюдения, накапливать и сохранять информацию в цифровом виде на стандартных носителях. Кроме того, эти программы позволяют преобразовывать накопленную информацию в формат, удобный для обработки данных на любом IBM-совместимом компьютере. Коррекция даты и времени в процессе измерений проводятся в диалоговом режиме. Программа предусматривает задание оператором частоты опроса системы наблюдений (в Гц). Минимальная дискретность записи была выбрана равной 0.5 с.
Автоматизированный наземный комплекс на основе IBM PC, дополненного программируемым контроллером, работает в Харьковском национальном университете с июля 1999 г. в тестовом режиме, а с 2000 г. - в режиме круглосуточного мониторинга. Работоспособность и эффективность комплекса проверялась в процессе статистического анализа на основе данных ИСЗ Advanced Composition Explorer (ACE), Geostationary Operational Environmental Satellite (GOES)-8, G0ES-10 (Dudnik, 1999; 2001).
В процессе обработки полученных с описанной выше установки экспериментальных данных использовались данные о потоках энергичных частиц, параметрах солнечного ветра, межпланетного и земного магнитных полей, полученные на ИСЗ АСЕ, Solar and Heliospheric Observatory (SOHO), GOES-8, GOES-10, Los Alamos National Laboratory (LANL) 1997, Solar Anomalous and Magnetospheric Particle Explorer (SAMPEX), а также данные магнитной обсерватории станции Москва (ИЗМИРАН).
ОПИСАНИЕ СОБЫТИЯ.
ГЕЛИОФИЗИЧЕСКАЯ ОБСТАНОВКА И МЕЖПЛАНЕТНОЕ МАГНИТНОЕ ПОЛЕ
Солнечная активность в период с 20 по 23 октября 1999 г. была невысокой (рис. 1). Небольшие солнечные рентгеновские всплески наблюдались на ИСЗ GOES-8, -10 (http://goes.ngdc.noaa.gov/data/avg/ 1999). Наиболее яркой была солнечная вспышка 20 октября 1999 г. в 06:22 UT области № 8731 балла M1.7/1F с координатами N10W48, сопровождаемая радиовсплесками II и III типов в широкой полосе частот и корональными выбросами массы (КВМ). Максимальное возрастание рентгеновского потока, зарегистрированное в 06:00 UT 20 октября, составило ~2 х 10-5 (Вт/м2) в диапазоне 1-8 А и ~2 х 10-6 (Вт/м2) в диапазоне 0.5-3 А. Потоки межпланетных электронов с энергиями до ~4 МэВ и протонов с энергиями до ~33 МэВ, наблюдаемые на ИСЗ SOHO (http://cdaweb.gs-fc.nasa.gov/cdaweb/istp_public/), были почти на фоновом уровне.
Условия в плазме солнечного ветра и межпланетном магнитном поле (ММП) были сильно возмущенными. Источником возмущений служили КВМ и взаимодействующий с ним поток быстрого солнечного ветра из корональной дыры (Dmitriev и др., 2005). По наблюдениям ИСЗ АСЕ (http://www.srl.caltech.edu/ACE/) возмущения начались с прихода межпланетной ударной волны (УВ) в ~01:38 UT 21 октября, которая сформировалась в результате распространения от Солнца КВМ (рис. 2). Этот КВМ ассоциируется с солнечной вспышкой 18 октября в 00:26 UT и связанным с нею выбросом масс в форме гало, наблюдаемым на коронографе LAS CO ИСЗ SOHO (Cane, Richardson, 2003). Вторая УВ наблюдалась в 06:00 UT 22 октября и сопровождалась сильным возрастанием плотности, температуры и скорости солнечного ветра. Эта УВ, по-видимому, сформировалась в результате взаимодействия потока быстрого (~700 км/с) и горячего солнечного ветра из корональной дыры с более медленным потоком плазмы КВМ, скорость которого составила ~500 км/с. Непосредственно перед этой УВ за 4 часа наблюдается очень сильное усиление ММП и, в частности, его южной компоненты до 30 нТ. В общей сложности большое отрицательное значение вертикальной составляющей ММП Bz < -20 нТ сохранялось около 8 часов, что вызвало развитие мощной геомагнитной бури утром 22 октября.
ГЕОФИЗИЧЕСКАЯ ОБСТАНОВКА И МАГНИТНОЕ ПОЛЕ ЗЕМЛИ
Часовые и минутные данные по Д81-вариации и по индексу SYM-H получены с японского сектора Мирового центра данных МЦД-С Киото и представлены на рис. 3 (http://swdcwww.kugi.kyoto-
1E-4
1Н 1Е-5
§ " 1Е-6 ¡1 I 1Е-7
W о
£ с 1Е-8
1Е-9
1Е-0
1Е-1
1Е-3
w о W о н О т
« — 1Е-2 s PQ
§s
g а 1Е-3
^ о W Г2
V S
Ч О о w
о н о
с
GOES-10
SOHO
e 0.5 МэВ
e 1.8 МэВ
\ e 4.4 МэВ
J_I_I_!_L
_l_I_I_I_I_I_!_I_I_I_l_
J_I_I_l_
SOHO
p 4.1 МэВ
p 16.4 МэВ p 33 МэВ
1Е-4
1Е-5_|_i_i_i_i_i_i_i_i_i_i_i_i_i_i_i_i_i_i_i_i_i_i_i_i_i_i_i_i_i_i_i_i_i_i—
0 6 12 18 0 6 12 18 0 6 12 18 20.10.1999 21.10.1999 22.10.1999
Мировое время, ч
Рис. 1. Потоки солнечной радиации 20-22 октября 1999 г.: (верхняя панель) поток рентгеновского излучения в диапазонах 1-8 А и 0.5-3 А по данным ИСЗ вОББ-Ю; (средняя панель) межпланетные дифференциальные потоки электронов с энергиями ~0.5, ~1.8 и ~4.4 МэВ и (нижняя панель) протонов с энергиями ~4.1, ~1б.4 и ~33 МэВ по данным ИСЗ БОЫО.
и.ас^р/аеаву/). Хорошо видны два внезапных импульса (БС) в 02:26 ИТ и в 23:31 ИТ 21 октября, соответствующие быстрым возрастаниям в индексе БУМ-Ы со сравнительно большой амплитудой (в десятки нТ). Эти БС вызваны сильным и резким сжатием магнитосферы Земли солнечным ветром.
Первый БС зарегистрирован многими наземными магнитными обсерваториями мира и вызван приходом УВ, которая наблюдалась на ИСЗ АСЕ в точке либрации Ь1 в ~01:30 ИТ 21 октября. Второй БС связан с резким возрастанием плотности солнечного ветра и концентрации гелия в нем, которые зарегистрированы на ИСЗ АСЕ в 22:
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.