научная статья по теме ОСОБЕННОСТИ ФОРМИРОВАНИЯ ПОТОКОВ ПРОТОНОВ ПОД РАДИАЦИОННЫМИ ПОЯСАМИ ВО ВРЕМЯ ГЕОМАГНИТНЫХ ВОЗМУЩЕНИЙ Астрономия

Текст научной статьи на тему «ОСОБЕННОСТИ ФОРМИРОВАНИЯ ПОТОКОВ ПРОТОНОВ ПОД РАДИАЦИОННЫМИ ПОЯСАМИ ВО ВРЕМЯ ГЕОМАГНИТНЫХ ВОЗМУЩЕНИЙ»

АСТРОНОМИЧЕСКИЙ ВЕСТНИК, 2007, том 41, № 5, с. 472-480

УДК 550.385

ОСОБЕННОСТИ ФОРМИРОВАНИЯ ПОТОКОВ ПРОТОНОВ ПОД РАДИАЦИОННЫМИ ПОЯСАМИ ВО ВРЕМЯ ГЕОМАГНИТНЫХ

ВОЗМУЩЕНИЙ

© 2007 г. Ю. В. Гоцелшк, |С. Н. Кузнецов, Б. Ю. Юшков

Научно-исследовательский институт ядерной физики им. Д. В. Скобельцына МГУ им. М.В. Ломоносова, Москва Поступила в редакцию 10.02.2007 г.

Исследуются экспериментальные данные о потоках энергичных частиц, регистрируемых на ИСЗ КОРОНАС-И и КОРОНАС-Ф под радиационными поясами. Анализировались пространственные структуры распределений потоков протонов с Е„ > 1 МэВ как вблизи геомагнитного экватора на Ь < 1.2, так и в высокоширотной области на Ь ~ 3.5-6.5, а также вариации потоков частиц при изменениях магнитной активности. Рассмотрены несколько процессов рассеяния, приводящих к высыпанию частиц, и, в частности, рассеяние протонов при взаимодействии с ОНЧ-излучением и рассеяние при нарушении адиабатичности движения частиц. Сопоставляются данные о динамике частиц во время геомагнитных возмущений разного рода, чтобы определить, являются ли физические процессы, приводящие к высыпанию частиц, проявлением геоэффективности данной магнитной бури или они контролируются внутренними магнитосферными условиями.

РАС8: 94.30.cb

ВВЕДЕНИЕ

Исследование динамики потоков энергичных ионов в широком интервале энергий на малых высотах проводилось в основном по данным низкоорбитальных спутников. В экспериментах на полярных ИСЗ КОРОНАС-И (Комплексные Орбитальные Околоземные Наблюдения Активности Солнца) и КОРОНАС-Ф прибором МКЛ измерялись потоки энергичных электронов и протонов с энергиями МэВ-диапазона на высоте 500 км. Распределения захваченной и квазизахваченной (захваченной на высоте полета спутника) радиации, в том числе распределения аномальных потоков под радиационными поясами, полученные в период март-май 1994 г. на ИСЗ КОРОНАС-И, изучались ранее в работе (Ба8ЬЫгоу и др., 1999). На ИСЗ КОРОНАС-Ф данные получены, начиная с августа 2001 г. на спаде 23-го солнечного цикла. В этой работе мы используем данные, полученные в ноябре 2001 г. во время сильных солнечных вспышек. Целью работы является исследование пространственной структуры распределений потоков квазизахваченных протонов с Ер > 1 МэВ в спокойных условиях и во время геомагнитных возмущений. Детально изучается пространственная структура возрастаний потоков протонов как вблизи геомагнитного экватора, так и в высокоширотной области магнитосферы.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ДАННЫЕ

Установленный на борту ИСЗ КОРОНАС-И и КОРОНАС-Ф прибор МКЛ использовался как монитор солнечных космических лучей (Кузнецов и др., 1995). В этой работе изучаются данные о потоках протонов с Ер ~ 1-4.5 МэВ, измеренные телескопом с геометрическим фактором О ~ 0.65 см2ср с разрешением 2.5 с (КОРОНАС-И) и немного модифицированным прибором с О ~ 0.4 см2ср (КОРОНАС-Ф). Прибор ориентирован в антисолнечном направлении. По условиям орбиты телескоп измерял квазизахваченные частицы на низких и высоких широтах на дневной и ночной стороне Земли каждые 95 мин.

Измерения на КОРОНАС-И в марте-апреле 1994 г. проводились на спаде 22-го солнечного цикла. Геомагнитная обстановка в марте характеризуется изменением ..¿-индекса от -60 нТл до -10 нТл. За время наблюдения произошли 3 значительных геомагнитных возмущения, когда величина ..¿-индекса понижалась до -100 нТл и -110 нТл во время рекуррентных бурь в начале марта и в начале апреля,соответственно, и до -200 нТл во время сильной геомагнитной бури 17 апреля. В апреле ..¿-индекс менялся от -60 нТл до -40 нТл и восстановился до нуля только после бури. Измерения, проведенные на КОРОНАС-Ф в ноябре 2001 г., приходятся на начало фазы спада 23-го солнечного цикла. Здесь мы рассматриваем данные, полученные во время двух сильных магнитных бурь - 6 и 24 ноября, вызванных солнечными вспышками 4 и 22 ноября, соответственно. Вели-

N, 1/c 1E+1

1E+0

1E-1

16.03.1994

L

10

1 № / '

All /'

Il 1V il 1

и 1 il 1

22.80

- 18 - 15 12

10 8

7

6

5

4

3

2

1

1 0

23.20 UT

Рис. 1. Профили потоков протонов с Ер > 1 МэВ 16 марта 1994 г. Пунктиром показано MLT - местное магнитное время, сплошной линией - изменение ¿-оболочки за время пролета. Указана географическая долгота областей пролетов.

ч

чина ^f-индекса понижалась до -257 нТл 6 ноября и до -225 нТл 24 ноября.

Используемые в работе данные о давлении солнечного ветра P получены на ИСЗ SOHO (Solar and Heliospheric Observatory), а о межпланетном магнитном поле на ИСЗ АСЕ (Advanced Composition Explorer) и представлены в Интернете.

РЕЗУЛЬТАТЫ

На рис. 1 показаны профили потоков протонов, полученные при пролете спутника последовательно над южным (верхняя панель) и северным полушариями 16 марта 1994 г. в условиях слабой геомагнитной возмущенности. Наблюдаемая пространственная структура распределений является типичной и характеризуется возрастаниями потоков протонов в области 1 < L < 1.2 вблизи геомагнитного экватора, области 2.2 < L < 2.7 и области 3.5 < L < 6.5, причем потоки вблизи экватора регистрируются регулярно, в области L > 2 спорадически, а в области L > 3.3 постоянно.

В правой стороне верхней панели рис. 1 видны возрастания потоков протонов на 2 < L < 2.3, регистрируемые на дневной стороне Земли в данном пролете. Ранее было показано (Bashkirov и др., 1999), что небольшие, но статистически значимые потоки протонов с Ер > 1 МэВ спорадически регистрируются вплоть до L ~ 2.7 в основном на ночной стороне Земли.

Рис. 2 дает более полное представление о по-токax протонов в экваториальной области и их структуре. Геомагнитная обстановка в рассматриваемый период была спокойной. Потоки протонов регистрируются на Ь < 1.1 при том, что И^ = 0. Видно, что основная часть потоков регистрируется в области Ь ~ 1.05-1.1 на всех долготах, при этом область регистрации не увеличивается по широте. Внутренний пояс протонов в районе Бразильской магнитной аномалии достигает Ь ~ 1.21.15 в области долгот Ф от —20° до —100° на широтах X = от -25° до -10°. В области долгот 110°-150° потоки имеют более сложную двугорбую структуру.

Во время геомагнитных возмущений характеристики потоков квазизахваченных протонов, регистрируемых в экваториальной области, практически не меняются. Распределения потоков протонов, полученные в период сильных возмущений в ноябре 2001 г. на Ь ~ 1-1.2, представлены на рис. 3. Видно, что потоки протонов остаются стабильными, их величина варьирует, как и в спокойное время, на ~2 порядка и не зависит от уровня возмущенности.

Проведем более подробно анализ пространственной структуры протонных распределений и ее вариаций с изменением магнитных возмущений в области Ь > 3. Часто в этой области потоки имеют тонкую структуру, состоящую из двух

Широта, град 30

20

10

0

-10

-20

-30

0.30

0.25

0.20

0.15

0.10

0.05

100 150

Долгота, град

Рис. 2. Линии равной интенсивности потоков протонов вблизи экватора за период 16-31 марта 1994 г., нанесенные на карту экваториальной области в географических координатах. Шкала интенсивности потоков показана справа. Линии равных Ь-оболочек обозначены пунктиром.

2

J, (см с х ср) 1Е+2

-1

1Е+1 г

1Е+0 г

4-28 ноября 2001 г.

Р >1 МэВ 1.0^<1.2

Dst, нТл 0

1-А /УЧ —

12

16

20

24

28 Дни

-100

200

-300

Рис. 3. Вариации потоков протонов на Ь = 1-1.2 в ноябре 2001 г. Вариации величины ../-индекса показаны сплошной линией. Крестами показана интенсивность потоков протонов.

максимумов, что хорошо видно на рис. 1 (условно низко- и высокоширотные максимумы).

На рис. 4 показаны интенсивности максимумов потоков протонов за период март-апрель 1994 г. Отдельно представлены распределения, полученные на 3 < Ь < 4 и на Ь > 4 в ночные и дневные часы МЬТ. Вариации интенсивности потоков протонов определяются в первую очередь геомагнитной обстановкой. Во время рекуррентных возмущений, происходивших 7 марта и 3-4 апреля, интенсивности потоков возрастают как в ночные, так и в дневные

часы во всем диапазоне Ь-оболочек. При этом в высокоширотной области магнитосферы (Ь > 4) интенсивность потоков возрастает заметно сильнее.

В спокойных геомагнитных условиях (85-90 дни) в ночное время максимальная интенсивность потоков протонов на Ь < 4 на порядок ниже, чем в более высокоширотных частях магнитосферы, а в дневное время более чем на порядок выше.

К сожалению, во время сильной магнитной бури 17 апреля мы имеем разрыв в данных, приходящийся

4

8

Dst, нТл 0

-80 -120 -160 |

-200' J, (см2схcp)-1 1E+5

1E+4

1E+3

1E+2

1E+1

1E+0

1E-1 J, (см2с х cp)-1 1E+5

1E+4

1E+3

1E+2

1E+1

1E+0

Кр 8

■ -

P, ночь +L >4

OL<4

P, день

1E-1

60

70

80

90

100

110 120 Дни года

Рис. 4. Изменение и Ар-индексов (верхняя панель) и интенсивность максимумов потоков протонов в дневные (нижняя панель) и ночные часы MLT (средняя панель). Распределения, полученные на 3 < Ь < 4, обозначены кружками, а на Ь > 4 - крестами.

на начало фазы восстановления бури (-8 UT ... -22 UT 17.04). Тем не менее мы отмечаем значительные различия в распределениях потоков протонов, регистрируемых в этой буре, от описанных выше. Так, в ночные часы мы практически не наблюдаем возрастания потоков на Ь > 4, в то время как потоки на Ь < 4 возрастают до значений, регистрируемых в более высокоширотных областях во время рекуррентных бурь. На дневной стороне интенсивности потоков протонов лишь незначительно превышают предбуревые. Через -16 часов по-

сле начала фазы восстановления потоки протонов достигли предбуревых значений на ночной стороне и практически не регистрируются на дневной.

В ноябре 2001 г. мощные корональные выбросы массы (KBM=CME, coronal mass ejection), пришедшие к Земле после солнечных вспышек 4 и 22 ноября, вызвали сильные магнитные бури соответственно 6 и 24 ноября, обусловившие, в свою очередь, структурную перестройку магнитосферы. Ответная реакция потоков энергичных частиц и в том числе потоков протонов с Ер > 1 МэВ на пе-

6

4

2

L Р, нПа 10гр40

5-8 ноября 2001 г.

2==&

J, (см2с х ср)-1 1Е+4

1Е+3

1Е+2

1Е+1

1Е+0

1Е-1

J, (см2с х ср)-1 1Е+5

1Е+4

1Е+3

1Е+2

1Е+1

1Е+0

1Е-1

5.0 5.5

В2, нТл

40 2

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.

Показать целиком