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.