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.