научная статья по теме ОТРАЖЕНИЕ ПРОТОНОВ СОЛНЕЧНОГО ВЕТРА ОТ МАГНИТНЫХ АНОМАЛИЙ ЛУНЫ Космические исследования

Текст научной статьи на тему «ОТРАЖЕНИЕ ПРОТОНОВ СОЛНЕЧНОГО ВЕТРА ОТ МАГНИТНЫХ АНОМАЛИЙ ЛУНЫ»

КОСМИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ, 2015, том 53, № 1, с. 75-78

УДК 523.62-726

ОТРАЖЕНИЕ ПРОТОНОВ СОЛНЕЧНОГО ВЕТРА ОТ МАГНИТНЫХ

АНОМАЛИЙ ЛУНЫ © 2015 г. А. А. Скальский, А. М. Садовский

Институт космических исследований РАН, г. Москва asadovsk@iki.rssi.ru Поступила в редакцию 31.03.2014 г.

Предложен механизм отражения протонов солнечного ветра на основе модели "мини"-магнито-сферы", возникающей над областью аномальной намагниченности лунной поверхности с формированием отошедшей "квази"-ударной волны. На примере одного из случаев регистрации протонов, отраженных от поверхности Луны, при пролете КА Chandrayaan над областью аномальной намагниченности в Море Дождей, и одновременных наблюдений солнечного ветра и межпланетного магнитного поля на КА WIND показано соответствие наблюдаемых потоков отраженных частиц с предложенной моделью.

DOI: 10.7868/S0023420615010069

1. ВВЕДЕНИЕ

До недавнего времени считалось, что взаимодействие Луны с солнечным ветром описывается моделью поглощающего набегающий поток плазмы тела, с образованием каверны разряжения на ночной стороне Луны, без отошедшей головной ударной волны на дневной стороне. Однако последние спутниковые наблюдения показали, что процессы взаимодействия межпланетной плазмы с реголитом Луны более сложны и разнообразны, и их описание требует кинетического подхода (см., например, [1] и ссылки к этой работе).

Наиболее интересным явлением представляется взаимодействие солнечного ветра с областями магнитных аномалий на поверхности Луны, где напряженность магнитного поля может достигать нескольких сотен нТл [1—3]. Измерения АМС Lunar Prospector показывают, что вблизи мини-магнитосфер формируется структура, похожая на ударную волну [1]. Измерения, выполненные на КА Kaguya и Chandrayaan, показали, что именно над подобными областями наблюдаются значительные потоки отраженных протонов, а также снижение интенсивности потока нейтральных частиц [4—7]. Таким образом, области аномальной намагниченности представляют собой мини-магнитосферы, достаточно эффективно отражающие (отклоняющие) поток плазмы солнечного ветра [1].

В работе на примере наблюдений плазмы КА Chandrayaan над областью аномальной намагниченности [8] проведено сравнение наблюдаемых потоков отраженных протонов с их оценками, полученными на основе модели формирования мини-магнитосферы с образованием на ее переднем по потоку фронте "квази"-ударной волны.

Данные по отраженным протонам солнечного ветра, используемые в работе, были получены прибором Solar Wind Monitor (SWIM), установленном на борту аппарата Chandrayaan-1, 29.IV.2009 г. между 04.58 и 05.56 UT над магнитными аномалиями в районе Моря Дождей [8]. Наблюдения отраженных ионов проводились в диапазоне энергий 200 эв—1.7 кэВ. В работе [8] показано, что районе данной аномалии, поток отраженных протонов может достигать ~50% от потока протонов в набегающем солнечном ветре. Возможные механизмы отражения протонов в работе [8] не обсуждались.

Наблюдения солнечного ветра и межпланетного магнитного поля взяты из архива CDAweb и были получены на борту WIND. На рисунке представлены (сверху вниз): модуль магнитного поля, скорость солнечного ветра, плотность ионов, тепловая скорость ионов, температура электронов и динамическое давление потока плазмы на 29.IV.2009. Конвекция солнечного ветра от положения аппарата WIND до Луны составляет приблизительно 1 ч 20 мин.

Видно, что во время наблюдений на КА Chan-drayaan скорость солнечного ветра менялась от 315 до 310 км/с, т. е. была практически постоянна, плотность ионов составляла 9—10 см-3, динамическое давление 1.5-1.6 нПа. По измерениям аппарата WIND межпланетное магнитное поле было очень малым - где-то на порядок меньше обычного значения (порядка 0.5 нТ), т.е. измерения потоков плазмы около Луны проводились при особых условиях в межпланетном пространстве, когда межпланетное магнитное поле мало, и плазму солнечного ветра во время взаимодействия можно считать незамагниченной.

76

СКАЛЬСКИИ, САДОВСКИИ

5

4

о

3 3

Н

Я 2

1

0

W -310

СА

О -315

О

■s -320

^ -325

m 11

О 10

Й 9

о о 8

я

н п 7

ч с 6

22

о

я

18

14

5.5

В

m 5.0

4.5

св 1.8

с 1.6

я

<0 Я 1.4

Я

о ч 1.2

и

св Ч 1.0

01.

02.00

03.00

00 05.00 29.IV.2009

07.00

Параметры солнечного ветра и межпланетного магнитного поля. Условия в солнечном ветре около Луны с учетом конвекции от положения аппарата WIND выделены прямоугольником.

2. МЕХАНИЗМ ОТРАЖЕНИЯ ПРОТОНОВ СОЛНЕЧНОГО ВЕТРА

представляется возможным использовать простую модель отражения на ударном фронте [9, 10].

В предположении формирования "квази"- На основе данных, представленных в предыду-ударной волны над областью мини-магнитосферы, щем разделе, были получены и использованы сле-

ОТРАЖЕНИЕ ПРОТОНОВ СОЛНЕЧНОГО ВЕТРА

77

дующие значения для оценки характерных параметров. Скорость солнечного ветра V = 310 км/с, динамическое давление р = 1.5 нПа, магнитное поле в аномалии считается квазидипольным и на поверхности Луны взято из модели [11] и составляет ~100 нТ. (Отметим, что в работе [8] использовалась другая модель для магнитного поля, при использовании которой значения магнитного поля получаются слишком малыми и динамическое давление солнечного ветра оказывается намного больше давления магнитного поля аномалии.) В работе [12] предполагалось, что магнитное поле над аномалией можно описать посредством магнитного диполя, ось которого расположена под поверхностью Луны на глубине 50 км. Тогда, предполагая, что и в нашем случае магнитное поле аномалии имеет аналогичную квази-дипольную форму, а радиус магнитопаузы можно рассчитать из баланса между магнитным давлением в аномалии и динамическим давлением солнечного ветра, получаем, что на границе аномалии магнитное поле составляет 45 нТ, а радиус магнитопаузы составляет ~30 км.

Используя эти значения, были определены значения характерных частот и длин. В аномалии

8000с--1

циклотронная электронная частота юс циклотронная ионная частота юс ~ 4.3 с-1, циклотронный электронный радиус гсе ~ 0.4 м, циклотронный ионный радиус га ~ 72 км (для характерной скорости солнечного ветра 310 км/с).

Таким образом, при взаимодействии набегающего потока плазмы солнечного ветра с областью аномалии магнитного поля электроны за-магничены в отличие от протонов, что приводит к разделению зарядов. Амбиполярное электрическое поле можно вычислить следующим образом: Е ~ 4пепЬ, где Ь > уТе/юре ~10 м (п — плотность плазмы, уТе — тепловая скорость электронов, а ю ре — плазменная частота).

Грубую оценку сверху потока отраженных протонов можно сделать на основе следующих предположений. Сформированная мини-магнитосфера имеет некую пограничную поверхность, на которой происходит отражение электронов. Поскольку ионы солнечного ветра практически не-замагничены (см. рис.), мы воспользуемся моделью, описанной в работах [9, 10] и для отраженных протонов получим

^ < п

/ В V/2

1 _ ВБК

В,

ехр

0 У

В0 А Ве.

(1)

где X Ве — дебаевский радиус электронов, Вш — магнитное поле солнечного ветра, В0 — магнитное поле на границе аномалии.

Тогда для рассматриваемой магнитной аномалии получаем пг/п0 < 0.49, что, в принципе, согласуется с наблюдениями [8].

Рассмотрим принципиальную возможность использования уравнения (2) для описания процессов отражения. Характерное время для отклоне-

-1

ния электрона составляет юсе, и этого достаточно для формирования электрического поля и поддержания отражения электронов (иону требуется более 0.1 с, чтобы достичь поверхности). Однако толщина ударной структуры может быть слишком маленькой, а процесс отражения нелокальным (см. [9]). Более того, геометрия структур "мини"-магнитосферы может отличаться от плоской.

Кроме того, при рассмотрении отражения протонов от "квази"-ударной волны следует учитывать, что количество отраженных протонов крайне чувствительно к условиям в солнечном ветре и увеличение магнитного поля или потока частиц приведет к резкому уменьшению количества отраженных протонов. Такой вывод подтверждается и в работе [12], где были описаны наблюдения магнитной аномалии на КА Kaguya, которые проводились опять-таки при достаточно экзотических условиях в солнечном ветре. Предложенный механизм дает только грубую оценку количества отраженных протонов на основе модели "мини-магнитосферы" в предположении формирования отошедшей "квази"-ударной волны.

ВЫВОДЫ

Предложенный в работе механизм отражения протонов от Луны на основе модели образование "мини"-магнитосферы и формирование "квази"-ударной волны над областями аномальной намагниченности поверхности спутника Земли, согласуется с результатами наблюдений 29.IV.2009 г. на аппарате СНап^ауаап, выполненных при низком динамическом давлении солнечного ветра и крайне слабом межпланетном магнитном поле над магнитной аномалией в области Моря Дождей.

Механизм отражения (интенсивность потоков отраженных частиц) зависит от от параметров, определяющих общую структуру "мини"-магни-тосферы, а именно: величины намагниченности поверхности Луны, напряженности межпланетного магнитного поля, интенсивности потока плазмы солнечного ветра и угла падения его потока на аномалию. Подобный механизм отражения однозначно реализовывается в случаи достаточно сильной магнитной аномалии. Однако и в этом случае, вопрос о формировании "квази"-ударной волны остается открытым, и требует дальнейших экспериментальных подтверждений на основе уже имеющихся данных (миссии Kaguya и СНап-йтауаап) и данных, которые будут получены в пер-

78

СКАЛЬСКИЙ, САДОВСКИЙ

спективных научных проектах по изучению Луны (проект "Луна-Ресурс—Орбитальный аппарат").

Работа выполнена при поддержке гранта для государственной поддержки ведущих научных школ Российской Федерации НШ-248.2014.2 и частично, при поддержке программы ПП-22 Президиума РАН. Авторы выражают благодарность за возможность использования данных по солнечному ветру и межпланетному магнитному полю, полученных КА WIND (CDAweb, http:// cdaweb.gsfc.nasa.gov).

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Lin R.P., Mitchell D.L., Curtis D.W. et al. Lunar Surface Magnetic Fields and Th

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