ГЕОМАГНЕТИЗМ И АЭРОНОМИЯ, 2007, том 47, № 6, с. 737-744
УДК 523.165
ОСОБЕННОСТИ ДИНАМИКИ ВНЕШНЕГО РАДИАЦИОННОГО ПОЯСА ВО ВРЕМЯ СИЛЬНОЙ МАГНИТНОЙ БУРИ 15 МАЯ 2005 г.
© 2007 г. Л. В. Тверская1, Е. А. Гинзбург2, Т. А. Иванова1, Н. Н. Павлов1, П. М. Свидский2
Научно-исследовательский институт ядерной физики им. Д.В. Скобельцына Московского государственного университета, Москва 2Институт прикладной геофизики им. Е.К. Федорова Росгидромета, Москва Поступила в редакцию 30.11.2006 г. После доработки 26.02.2007 г.
Анализируется динамика потоков энергичных электронов (Ее = 0.17-8 МэВ) и протонов (Ер > 1 МэВ) внешнего радиационного пояса во время магнитной бури 15.05.2005 на больших (геосинхронные ИСЗ GOES-10 и LANL-84) и малых (полярный ИСЗ Метеор-ЗМ) высотах. Данные сопоставлены с измерениями плотности, скорости плазмы солнечного ветра и магнитного поля на ИСЗ АСЕ и геомагнитными возмущениями. Во время главной фазы магнитной бури ночная граница области захваченной радиации и центр западной электроструи сместились до Ь ~ 3. 15.05.2005 наблюдались возрастания только низкоэнергичных электронов. Формирование пояса релятивистских электронов с максимумом на Ь ~ 4 произошло во время суббури, амплитуда которой достигла максимума в ~06.30 ЦТ 16.05. Результаты показывают хорошее согласие с закономерностью, связывающей положение максимума "нового" пояса релятивистских электронов, границы области захваченной радиации, экстремального низкоширотного положения центра западной электроструи с амплитудой ^-/-вариации.
PACS: 94.30 Ху; 94.30^-
1. ВВЕДЕНИЕ
Вторая половина 23 цикла солнечной активности ознаменовалась необычно большим количеством солнечных экстремальных событий, приведших к развитию на Земле очень сильных магнитных бурь. Например, бурь с амплитудой |Dst|max > 350 нТл ("great storm") за последние 45 лет зарегистрировано 7, из них 5 произошли на фазе спада солнечной активности в 23 цикле.
Изучение супербурь представляет чрезвычайный интерес для предсказания космической погоды, так как во время этих бурь наиболее близко подходят к Земле различные плазменные структурные образования в магнитосфере: граница области захваченной радиации, экваториальная граница аврорального овала, полярные электроструи, граница проникновения солнечных протонов, максимум внешнего пояса инжектированных во время магнитной бури релятивистских электронов. Так, самая сильная буря космической эры (13-14 марта 1989 г., |Dst|max = 599 нТл) привела к формированию пояса релятивистских электронов с максимумом на L ~ 2.5, здесь же было зафиксировано экстремальное низкоширотное положение центра западной электроструи [Тверская, 1998; Tver-skaya et al., 2003a]. Большие потоки релятивистских электронов являются одной из главных причин сбоев в бортовой аппаратуре ИСЗ. Поэтому исследование их вариаций, процессов ускорения
являются одной из актуальнейших проблем физики магнитосферы.
К настоящему времени опубликовано несколько работ по динамике релятивистских электронов во время супербурь 2003-2005 гг. [Панасюк и др., 2004; Ермолаев и др., 2005; Тверская и др., 2006; Loto'antu et al., 2006].
Несмотря на интенсивные многолетние исследования динамики релятивистских электронов во время магнитных бурь, вопрос об их ускорении остается до сих пор нерешенным. Электроны с энергиями в первые сотни кэВ легко могут быть ускорены в электрических полях суббурь [Бондарева и Тверская, 1973; Li et al., 1999]. Еще в 60-е годы был разработан механизм бетатронного ускорения электронов при втягивании силовых линий геомагнитного хвоста магнитосферы в область захваченной радиации (диполяризация) [Tverskoy, 1969]. Дополнительному ускорению инжектированные во время бури частицы подвергаются на фазе восстановления при распаде кольцевого тока. В последние годы появилось много работ, в которых рассмотрены механизмы ускорения релятивистских электронов на основе взаимодействия волна-частица [см., например, Antonova et al., 1999; Summers and Ma, 2000; Бахарева, 2003 и соответствующие ссылки].
В настоящей работе мы рассмотрим особенности динамики энергичных электронов и протонов в магнитосфере во время сильной магнитной бури
о
о
H
w
n QQ
20
0 1000
800 600
450 0
-50 100 0
&
о
(N
s
о &
S
PQ
4
* -100
^ -200
Q -300
4
H
w
0
2000 105
100 105
100 105
100
15-16 мая 2005 г.
„Л*
.Лр L.
00
06
12
18
00 UT
06
12
G0ES-10
LANL-84
18
Рис. 1. Временной ход параметров межпланетной среды (ИСЗ АСЕ), геомагнитной активности и потоков частиц на геосинхронных орбитах (ИСЗ GOES-10 и LANL-84) 15-16 мая 2005. Стрелками на графике АХ-индекса указаны моменты пролетов ИСЗ Метеор-3М (см. рис. 5).
15 мая 2005 г. Основное внимание будет уделено процессам во внутренней магнитосфере.
2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ДАННЫЕ
Анализируются данные измерений на геосинхронной орбите (электроны с Ee > 2 МэВ и протоны с Ep > 1 МэВ на ИСЗ G0ES-10, долгота 135 W; электроны с Ee = 0.315-1.5 МэВ на ИСЗ LANL-84, долгота 165 W), взятые из сети INTERNET, и на полярном ИСЗ Метеор-ЗМ с круговой орбитой на высоте 1000 км (электроны с Ee = 0.17-8 МэВ). Состав детекторов аппаратуры на ИСЗ Метеор приведен в [Панасюк и др., 2004].
3. РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ
3.1. Межпланетная среда и ^¿-вариация
На рис. 1 приведен временной ход данных по межпланетной среде, геомагнитным индексам и
потокам частиц на геосинхронных орбитах за 1516 мая 2005 г.
Как и всякой сильной магнитной буре (предварительное значение |Dst|max = 256 нТл позволяет классифицировать эту бурю как "severe storm"), рассматриваемой буре предшествовали сильные возмущения в межпланетной среде. Плотность солнечного ветра превышала 30 см-3, скорость достигала ~1000 км/с. Для Bz-компоненты было характерно очень резкое (за время ~1 ч) изменение от +30 до -50 нТл. Dst-вариация достигла минимума за ~2 ч. Разница At между пиком отрицательного Bz и пиком Dst составила ~2 ч. Согласно [Gonzales and Echer, 2006], при определении At необходим учет времени распространения возмущения от орбиты ACE до Земли (~1 ч) и времени передачи энергии в кольцевой ток (~1 ч). Таким образом, одной из особенностей этой бури было практическое отсутствие разницы между временем пиков отрицательного Bz и Dst.
3.2. Суббуревые возмущения
На рис. 1 представлен AL-индекс, полученный оцифровкой предварительных данных WDC-2 Kyoto. Во время внезапного начала магнитной бури (амплитуда Dst ~ 80 нТл) развилась суббуря с амплитудой AL ~ 1800 нТл.
Суббуря, определившая главную фазу исследуемой магнитной бури, начала развиваться практически сразу после пика отрицательного Bz и достигла максимума (по данным AL-индекса) в ~06.30 UT (более подробное рассмотрение динамики этой суббури будет приведено ниже). Затем происходило постепенное затухание суббуревой активности. В ~08.20 UT произошел резкий поворот Bz к положительным значениям, и закончилась главная фаза бури. С переходом вновь к отрицательным Bz суббуревая активность снова возросла, наибольшая активизация суббуревых возмущений 16 мая началась после резкого усиления отрицательного Bz в ~04 UT. В ~05.20 UT амплитуда AL составила ~1000 нТл, а наиболее сильная суббуря 16 мая достигла максимума в ~06.30 UT с амплитудой ~1900 нТл.
Очередной цуг суббуревых возмущений наблюдался с ~13 до ~18 UT при устойчиво отрицательном (на уровне —2 нТл) Bz.
3.3. Вариации потоков электронов и протонов
в периферийных областях внешнего радиационного пояса (геосинхронная орбита)
Особенности вариаций потоков протонов и электронов на геосинхронной орбите представлены на трех нижних панелях рис. 1. Заметный вклад в счет детекторов, особенно в первые часы 15.05, дали солнечные протоны. Видно, что в начале фазы восстановления возросли только потоки электронов с Ee = 0.315-1.5 МэВ, электроны с энергией >2 МэВ появились лишь 16 мая [Panasyuk et al., 2006]. Сравнение с AL-индексом показывает, что возрастание электронов с Ee > 2 МэВ и протонов с Ep > 1 МэВ началось в ~05 UT 16.05. Как показали данные ст. Poste-de-la-Baleine (здесь не приведены), близкой по широте к основанию силовой линии геосинхронной орбиты (L ~ 6) и находящейся на ночной стороне, к ~05 UT возмущение Х-компоненты магнитного поля достигло максимума (~1000 нТл), затем электроструя сместилась севернее станции (Z-компонента <0). Как раз в это время возросли потоки частиц на орбите GOES. После 06 UT электроструя вернулась в зенит станции и затем резко ушла на юг. Максимальная амплитуда AL-индекса зарегистрирована в ~06.30 UT. К этому моменту электроструя находилась южнее L-оболочки геосинхронной орбиты, и наблюдался минимум в интенсивности частиц всех энергий. Затем потоки электронов с Ee > 2 МэВ на-
чали возрастать, одновременно продолжался и рост потоков электронов с Ee = 0.315-1.5 МэВ.
Таким образом, по данным измерений на геосинхронной орбите видно действие, по крайней мере, двух разных механизмов ускорения: один действует на масштабе суббури, другой - более медленный, приводящий к монотонному росту потоков частиц в течение суток и более.
В исследованиях одновременных возрастаний потоков электронов и протонов с энергиями в десятки-сотни кэВ на высокоширотных силовых линиях по данным ИСЗ Молния-1 было показано, что частицы появляются с приходом суббуревого возмущения на данную силовую линию [Кузнецов и др., 1972].
Отметим еще цуг квазипериодических возрастаний протонов (с периодом ~1 ч, см. рис. 1), развившийся в интервале 13-17 UT 16 мая. Эти колебания наблюдались при постоянном слабоотрицательном Bz (см. выше) и соответствовали вариациям AL. Предварительные данные WDC-2 Kyoto по ст. Тикси (L = 5.8), находившейся при этом в ночном секторе, показывают аналогичные колебания ^-компоненты магнитного поля с амплитудой до ~400 нТл. По данным об электронах с Ee > 2 МэВ описанные выше колебания едва заметны на фоне продолжающегося роста интенсивности.
Квазипериодические колебания потоков релятивистских электронов на геостационарной орбите (с периодом ~2-4 ч) при постоянной южной ориентации Bz были обнаружены в [Tverskaya and Krasotkin, 2002; Huang et al., 2003].
3.4. Динамика внешнего р
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.