АСТРОНОМИЧЕСКИЙ ВЕСТНИК, 2008, том 42, № 1, с. 75-85
УДК 523.98
ПОИСК ВЗАИМОСВЯЗИ СВЧ-РАДИОВСПЛЕСКОВ ФОНА И ДИНАМИКИ ЭНЕРГИЧНЫХ ЧАСТИЦ ПО ДАННЫМ ПРИБОРА МКЛ
НА ИСЗ КОРОНАС-Ф
© 2008 г. А. В. Дудник*, И. Н. Мягкова**, Е. А. Муравьева**, Ю. Ф. Юровский***
*Харъковский национальный университет им. ВН. Каразина, Украина **Научно-исследовательский институт ядерной физики им. Д.В. Скобельцына МГУ им. М.В. Ломоносова,
Москва, Россия
***НИИ Крымская астрофизическая обсерватория, пос. Научный, Крым, Украина
Поступила в редакцию 10.02.2007 г.
На примере солнечной вспышки, произошедшей 4 ноября 2001 г. в 16:03-16:57 UT (класс в мягком рентгеновском излучении по данным ИСЗ GOES X1.0, оптический балл 3B, координаты N06W180), исследуется взаимосвязь спорадических СВЧ-радиовсплесков и потоков заряженных частиц (как солнечного, так и магнитосферного происхождения) на высоте 500 км. Уровень радиошума регистрировался на частотах 280, 300, 151 и 500 МГц ненаправленными наземными радиоантеннами, расположенными в средних широтах на расстоянии ~700 км друг от друга. Результаты радионаблюдений сравниваются с динамикой потоков электронов с энергиями 0.3-12 МэВ и протонов с энергиями 1-5 МэВ по данным прибора МКЛ ИСЗ КОРОНАС-Ф (высота орбиты 500 км, наклонение 82.5°).
PACS: 94.05.Pt, 96.06.Vg
ВВЕДЕНИЕ
Высокочастотные спорадические радиовсплески околоземного пространства изучались с 70-х годов прошлого столетия различными исследователями (Бондарь и др., 1974; Мусатенко, 1980; Дудник, Минеев, 1996). Всплески зависят от солнечной и геомагнитной активности, а также от характеристик межпланетной среды. Была найдена также определенная зависимость между особенностями в потоках электронов с энергиями E > 0.6 МэВ и E > 2 МэВ на геостационарной орбите по данным ИСЗ серии Geostationary Operational Environmental Satellite (GOES) и генерацией кратковременных радиовсплесков на частоте 151 МГц по наземным измерениям (Dudnik, 2001). Однако анализ сопоставления интенсивных УВЧ-радиовсплесков фона на разных частотах на средних широтах с динамикой энергичных частиц во внутренней магнитосфере еще не проводился.
Целью настоящей работы был анализ результатов одновременных наблюдений радиошумов на разных частотах с помощью систем радиотелескопов, расположенных на расстоянии ~700 км друг от друга (Харьков и Крым), в ноябре 2001 г., а также сопоставление записей радиофона с вариациями потоков энергичных электронов в полярных шапках и в радиационных поясах Земли (РПЗ) по данным измерений прибора МКЛ, установленного на низковысотном полярном ИСЗ КОРОНАС-Ф.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ НАУЧНОЕ ОБОРУДОВАНИЕ
Для мониторинга уровня радиофона на средних широтах в высокочастотной области спектра вблизи г. Харькова разработаны и изготовлены 2 наземных радиотелескопа с радиоприемными каналами на фиксированных частотах / = 151 MГц и / = 500 МГц. В качестве антенных устройств используются: на частоте / = 151 MГц - фазированная антенная решетка из четырех 7-элементных антенн типа Удо-Яги, и на частоте / = 500 MГц - фазированная антенная решетка из четырех 13-элементных антенн того же типа. Обе антенные решетки в период проведения эксперимента были ориентированы в зенит. Минимально регистрируемые уровни радиосигналов: на частоте 151 МГц -6 х10-22 Вт/(м2 Гц) и 10-21 Вт/(м2 Гц) на частоте 500 МГц. Полоса пропускания радиоприемных устройств была приблизительно одинаковой и составляла 3 МГц. Запись информации проводится в цифровом виде с помощью персонального компьютера, дополненного 10-разрядным АЦП. Минимальное время накопления - 0.5 с.
Радиотелескоп метровых волн Крымской астрофизической обсерватории расположен вблизи пос. Кацивели и регистрирует сигналы на двух фиксированных частотах: / = 280 МГц и /2 = 300 МГц. В качестве антенного устройства используется фазированная антенная решетка из 16 антенн типа "волновой канал". Полоса пропускания радиоприемных
трактов - 10 МГц. Чувствительность системы составляет 0.08 х 10-22 Вт/(м2 Гц). Ширина диаграммы направленности - 11°. Антенна условно разделена на две половины, сигналы от которых суммируются в фазе или противофазе с частотой 2000 Гц. В результате отклик радиометра положительный в тех случаях, когда радиовсплески попадают в главный лепесток диаграммы направленности, и отрицательный, когда всплески приходят из других направлений. Минимальное время накопления такое же, как и в системе регистрации фона вблизи Харькова - 0.5 с.
ИСЗ КОРОНАС-Ф - второй спутник из серии "КОРОНАС" (Комплексные Орбитальные Околоземные Наблюдения Активности Солнца), как и первый спутник этой серии - КОРОНАС-И, был выведен на околоземную квазикруговую полярную орбиту (высота 507 ± 21км, наклонение к плоскости экватора 82.5°, период обращения 94.5 мин) 31 июля 2001 г. (Ораевский и др., 2002). Прибор МКЛ (Монитор космических лучей), ориентированный в антисолнечном направлении и установленный на ИСЗ КОРОНАС-Ф, предназначался для измерения потоков и спектров протонов с энергиями 1-90 МэВ и электронов с энергиями 0.3-12 МэВ ^uznetsov и др., 2002).
ХАРАКТЕРИСТИКИ ВСПЫШКИ 4 НОЯБРЯ 2001 ГОДА
Солнечная вспышка 4 ноября 2001 г. балла 3B/1X с координатами 06N, 18W началась в 16.03 UT в оптической линии На и достигла максимума в 16.22 UT (Solar Geophysical Data). Приборами СПР-Н и СОНГ, также установленными на ИСЗ КОРОНАС-Ф и регистрировавшими жесткое нейтральное излучение, во время данной вспышки были зарегистрированы два возрастания жесткого рентгеновского излучения в диапазоне 15150 кэВ с максимумами в 16:09 UT и 16:13 UT (Кузнецов и др., 2003а). Данная вспышка вызвала одно из трех крупнейших событий в энергичных частицах, наблюдавшихся на ИСЗ КОРОНАС-Ф во второй половине 2001 г. UT (Кузнецов и др., 20036). Вспышка сопровождалась интенсивными радиовсплесками II и IV типов и значительными потоками солнечных космических лучей, в том числе протонов с энергиями до 500 МэВ. Быстрое возрастание потоков протонов с энергиями протонов E > 100 МэВ по данным ИСЗ GOES началось в 16:50 UT, и меньше чем за час величина потока протонов выросла примерно на два с половиной порядка. Затем рост замедлился в ~18:00 UT. По данным ИСЗ GOES-8 максимальный поток протонов с энергиями E > 100 МэВ в этот день наблюдался в 20:35 UT.
На рис. 1 показаны динамические спектры солнечного радиоизлучения II и III типов в диапазоне частот 1-14 МГц по данным аппаратуры
WAVES, установленной на борту спутника (WIND) (http://lep694.gsfc.nasa.gov/waves/waves.html). Видно, что во время вспышки было зарегистрировано очень много мощных радиовсплесков Ill типа. По данным ИСЗ Advanced Composition Explorer (ACE), находящегося вне пределов магнитосферы Земли в точке либрации L1, потоки электронов низких энергий (десятки-сотни кэВ) и протонов с энергиями сотни кэВ-2 МэВ в межпланетном пространстве возросли на несколько порядков сразу после начала вспышки (http://www.srl.caltech.edu/ACE/ASC/level2). В то же время индекс Кр, показывающий уровень геомагнитной возмущенности, оставался на низком уровне весь день 4 ноября. И только во второй половине дня 5 ноября, были зарегистрированы возмущения и межпланетного магнитного поля (данные ИСЗ GOES-8 http://goes.ngdc.noaa.gov/data/avg/year).
УСЛОВИЯ В МАГНИТОСФЕРЕ ЗЕМЛИ И ОКОЛОЗЕМНОМ КОСМИЧЕСКОМ ПРОСТРАНСТВЕ
Рассмотрим подробнее рис. 2 и 3, опубликованные в работе (Кузнецов и др., 2003а). На рис. 2 представлены данные о потоках протонов, полученные на ИСЗ КОРОНАС-Ф (1-5 МэВ) и GOES-8 (14-500 МэВ). На рис. 3 представлены потоки электронов по данным ИСЗ КОРОНАС-Ф (0.3-12 МэВ) и АСЕ (38-315 кэВ). Данные КОРОНАС-Ф, полученные в северных полярных шапках, отмечены крестиками, а в южных полярных шапках - кружками. Как видно из рисунков, данные различных спутников хорошо согласуются друг с другом. Потоки и протонов, и электронов нарастали быстро после вспышки, затем наблюдалось медленное нарастание до второй половины 5 ноября. Более детальный анализ показывает, что первый приход протонов и электронов наблюдался на 15-30 мин позже максимума вспышки в рентгеновском диапазоне (Кузнецов и др., 2003а).
6 ноября в ~01 UT орбиты Земли достигли ударная волна (УВ) и корональный выброс массы (КВМ), связанные со вспышкой 4 ноября. Средняя скорость УВ составила около 1260 км/с. Оценка скорости ударного фронта по времени запаздывания первой регистрации в метровом диапазоне солнечного радиоизлучения II типа по отношению к основному импульсу энерговыделения во вспышке, определенному по времени всплеска рентгеновского излучения, дает значение 1500 ± 300 км/с, что близко к предыдущей оценке.
Альвеновское число Маха ударной волны, на которой происходит ускорение частиц, МА = (V2 -- ^)/УА, где V1 - скорость солнечного ветра (СВ) перед фронтом УВ, V2 - скорость СВ после фронта УВ, УА - альвеновская скорость перед фронтом УВ. Для средних характеристик солнечного ветра значение Vp^ в короне Солнца может достигать ~ 330 км/с,
WIND/WAVES NOVEMBER 4, 2001
Intensity (dB) relative to background
Рис. 1. Динамические спектры солнечных радиовсплесков типа II и III 4 ноября 2001 г. в диапазоне частот 20 кГц-14 МГц по данным аппаратуры WAVES на ИСЗ WIND.
J, (см2 ср с МэВ)-1
Ноябрь 2001 г., сутки
Рис. 2. Потоки солнечных протонов в период с 4 по 8 ноября 2001 г. по данным измерений на ИСЗ КОРОНАС-Ф в полярных шапках и GOES-8.
а на орбите Земли ~ 60 км/с (Kohnlein, 1996). Для рассматриваемого случая на орбите Земли ^ = = 120 км/с, т.е. МА > 2. А в короне Солнца это значение могло достигать величины МА ~ 4-5. Получен-
ные значения позволяют предположить, что ударная волна от вспышки 4 ноября была эффективным ускорителем частиц как в короне Солнца, так и в межпланетном пространстве.
J, (см2 МэВ ср с)-1
Ноябрь 2001 г., сутки
Рис. 3. Показатель степени n в дифференциальных энергетических спектрах частиц, зарегистрированных электронным спектрометром на борту ИСЗ КОРОНАС-Ф в полярных шапках и потоки электронов в различных энергетических каналах в сравнении с данными измерений ИСЗ АСЕ.
После прихода УВ и КВМ 6 ноября в магнитосфере Земли развилась сильная магнитная буря. Таким образом, пе
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.