КОСМИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ, 2014, том 52, № 1, с. 82-88
УДК 539.1
ПРОТОННЫЕ ВЫСЫПАНИЯ К ЭКВАТОРУ ОТ ИЗОТРОПНОЙ ГРАНИЦЫ ВО ВРЕМЯ ГЕОМАГНИТНОЙ БУРИ 20-29 НОЯБРЯ 2003 ГОДА
© 2014 г. Т. А. Яхнина, А. Г. Яхнин
Полярный геофизический институт Кольского научного центра РАН, г. Апатиты
ayahnin@gmail.com Поступила в редакцию 16.03.2013 г.
По данным спутников ЫОАА рассмотрены особенности динамики высыпаний энергичных протонов к экватору от изотропной границы во время геомагнитной бури. В дополнение к двум известным типам высыпаний протонов выделен новый, третий тип высыпаний, наблюдающийся на дневной стороне на относительно высоких широтах. Высказано предположение, что высыпания третьего типа в дневном секторе связаны с развитием ионно-циклотронной неустойчивости. Поперечная анизотропия энергичных протонов, необходимая для развития неустойчивости обусловлена, вероятно, расщеплением дрейфовых оболочек. Все три типа высыпаний имеют различные области генерации и различную временную динамику во время бури. Максимальная интенсивность высыпаний имеет место в вечернем секторе во время главной фазы бури. На восстановительной фазе бури основные потери протонов кольцевого тока обеспечивают высыпания в дневном и утреннем секторах.
DOI: 10.7868/S0023420614010099
ВВЕДЕНИЕ
Нарушение адиабатичности движения протонов в магнитосфере, необходимое для рассеяния в конус потерь, возникает либо при изменениях магнитного поля на пространственных масштабах сравнимых с ларморовским радиусом частицы (что происходит, например, при пересечении протонами области слабого магнитного поля в экваториальной плоскости магнитосферы на достаточно больших расстояниях от Земли), либо при взаимодействии с волнами, период которых сравним с периодом ларморовского вращения протона. Первый процесс ответственен за изотропные высыпания на относительно высоких широтах к полюсу от границы изотропии [1]. В ближней магнитосфере (в проекции на ионосферу — в анизотропной зоне к экватору от границы изотропии), где магнитное поле велико, источником протонных высыпаний может быть взаимодействие протонов кольцевого тока и плазменного слоя с электромагнитными ионно-циклотрон-ными (ЭМИЦ) волнами [2].
В работе [3] по данным низкоорбитальных спутников NOAA было выделено два типа локализованных высыпаний энергичных (Е > 30 кэВ) протонов (Localized Précipitation of Energetic Protons, LPEP) к экватору от изотропной границы, которые коррелируют с геомагнитными пульсациями диапазона Рс1 (0.2—5 Гц), являющимися индикатором ЭМИЦ волн. Высыпания первого типа (LPEP-1), в спектрах которых отсутствуют
протоны с энергией Е < 20 кэВ, коррелируют с квазимонохроматическими геомагнитными пульсациями Рс1. Изучение протонных сияний, обусловленных этими высыпаниями, показало, что источник ЬРБР-1 локализован как по широте, так и по долготе, существует до нескольких часов, находится, по-видимому, на плазмопаузе, и участвует вместе с плазмосферой в процессе ко-ротации [4—6]. Высыпания второго типа (ЬРБР-2) содержат низкоэнергичную компоненту и коррелируют преимущественно с колебаниями убывающего периода (КУП). Эти высыпания наблюдаются, в основном, в вечернем секторе и обусловлены взаимодействием с ЭМИЦ волнами дрейфующих на запад протонов на внешней границе плазмосферного "хвоста". В протонных сияниях этот тип высыпаний отображается в виде "дуги" с долготными размерами в несколько часов МЕГ в вечернем секторе [7, 8]. Общей особенностью этих двух типов высыпаний является их широтный размер (около 1° широты), что, очевидно, вязано с тем, что генерация ЬРБР-1 и ЬРБР-2 происходит в области резкого градиента холодной плазмы.
Кроме того, во время сжатия магнитосферы при прохождении фронта повышенного давления солнечного ветра, в дневном секторе могут наблюдаться кратковременные (длительностью в несколько минут) высыпания протонов с широтными размерами в несколько градусов (в мощных событиях более 10°), также связанные с ионно-циклотронной неустойчивостью [9—13]. В отли-
чие от ЬРЕР первого и второго типов, высыпания протонов во время сжатия магнитосферы, по-видимому, не связаны с границами холодной плазмы [14].
Ионно-циклотронная (ИЦ) неустойчивость приводит к высыпанию не только протонов с энергиями 10—100 кэВ, но и релятивистских электронов [15, 16], обеспечивая потери, как частиц кольцевого тока, так и внешнего радиационного пояса. Это определяет интерес к определению областей развития ИЦ неустойчивости в магнитосфере, их динамики в различных геофизических условиях, в частности, в условиях геомагнитной бури, когда потери частиц кольцевого тока и внешнего радиационного пояса максимальны. К сожалению, использование для этой цели непосредственно наблюдений ЭМИЦ волн не всегда возможно, так как существующие спутники, проводящие регистрацию ЭМИЦ волн, не обеспечивают постоянный мониторинг всей ближней магнитосферы. В то же время, связь высыпаний энергичных протонов к экватору от изотропной границы с ЭМИЦ волнами позволяет использовать для такого исследования наблюдения энергичных протонов на низкоорбитальных спутниках, тем более, что на полярных круговых орбитах на высоте около 800 км постоянно находятся несколько мониторинговых спутников МОЛЛ, обеспечивающих наблюдения в различных секторах МП
Все низкоорбитальные спутники МОЛЛ оснащены, в частности, однотипными детекторами MEPED [17], измеряющими потоки заряженных частиц с энергией Е > 30 кэВ. Данные измерений протонов таких энергий будут использованы в этой работе. Будет рассмотрена динамика высыпаний энергичных протонов во время геомагнитной бури, главная фаза которой началась в ~02 иТ 20.XI.2003 г. Минимальное значение индекса (—422 нТл) наблюдалось в ~21 иТ. Фаза восстановления продолжалась несколько суток, пока Б^ индекс не вернулся к "предбуревому" значению около —10 нТл.
Надо заметить, что в работе [18] уже анализировались протонные высыпания первого и второго типов во время нескольких бурь и было показано, что динамика этих высыпаний во время геомагнитной бури согласуется, соответственно, с морфологией геомагнитных пульсаций Рс1 и КУП, которые, как отмечалось, являются индикатором ИЦ взаимодействия. В данной работе мы привлечем к рассмотрению еще один, третий тип протонных высыпаний, наблюдаемых к экватору от изотропной границы, который не был рассмотрен ранее. Этот тип высыпаний отличается от высыпаний первого и второго типов широтными размерами (обычно более двух градусов). На рис. 1 приведен пример таких высыпаний. Показаны
105 103
105 уо3
&105 "is 103
о
£ 105
о
§103
<ч
S
S105
О -> Й103 И 105
103
105 103
орбита 7327n 20.24
7327s 20.57
7328n 22.04
7328s 22.37
7329n 23.44
7329s 00.17
орбита 7330n 01.24 UT
50 60 70 80
Исправленная геомагнитная широта, град
Рис. 1. Пример наблюдения потоков энергичных протонов третьего типа 21—22.XI.2003 г. Указаны номера орбит (символы n и s означают пролет в северном и южном полушарии, соответственно), а также время регистрации максимального потока высыпающихся протонов.
широтные профили потоков высыпающихся (толстая линия) и квази-захваченных (тонкая линия) протонов с энергией Е > 30 кэВ во время последовательных пролетов спутника NOAA-17 в северном и южном полушариях в дневном секторе. Выше 70—75° исправленной геомагнитной широты (CGLat) потоки изотропны. К экватору от границы изотропии, на широтах 62—67° CGLat видна область значительного роста интенсивности потока высыпающихся протонов (отмечена штриховкой), наблюдавшаяся в течение не менее пяти часов. Такие высыпания мы и относим к третьему типу протонных высыпаний. Спутник регистрировал эти высыпания в секторе 10.1—11.3 MLT На некоторых пролетах спутника, к экватору от высыпаний третьего типа видны узкие изолированные всплески LPEP-1.
Разумеется, классификация высыпаний только на основе такого критерия, как широтный размер, является достаточно субъективной. Тем не менее, мы увидим, что это имеет смысл — высыпания с такими характеристиками наблюдаются, главным образом, в определенном секторе MLT и на определенных широтах.
ч 0
н
я -200
С? -400
ч 2000
н
я
fcf 1000
0
10
5
0
8
* 4
0
8
* 4
0
8
* 4
0
18 20 22 24 26 28 Дни ноября 2003 г.
Рис. 2. Динамика высыпаний энергичных протонов разных типов во время геомагнитной бури.
РЕЗУЛЬТАТЫ
Наблюдения потоков протонов в рассматриваемый период времени осуществлялись на трех спутниках NOAA-15, 16, и 17. Эти спутники обеспечивают регистрацию потоков высыпающихся и квазизахваченных (захваченных на высоте спутника) энергичных протонов в разных секторах MLT. Графики, подобные рис. 1, были построены для всех пролетов на широтах выше 45° CGLat каждого из спутников NOAA, находившихся на орбите в течение 18—29.XI.2003 г. На каждом таком графике визуально была определена изотропная граница высыпаний протонов, и выделены, если наблюдались, области высыпаний к экватору от этой границы. К событиям LPEP-1 и -2 были отнесены всплески высыпаний с характерным широтным размером около одного градуса. Отсутствие или наличие в спектре высыпаний частиц с энергией Е < 20 кэВ, которое контролировалось по данным прибора TED на спутниках NOAA, являлось критерием для различия между LPEP-1 и LPEP-2, соответственно (см., работу [3]). Высыпания, имеющие протяженность более 1°—2° широты мы отнесли к высыпаниям третьего типа. Всего было выделено 85, 54 и 443 случая протонных высыпаний первого, второго и третье-
го типов, соответственно. Для всех трех типов были определены максимальная интенсивность потока высыпающихся протонов и координаты (CGLat и МЕГ) максимума интенсивности. Эти данные использованы для определения характерных особенностей каждого из типов высыпаний. В тех случаях, когда положение максимума высыпаний определить было трудно (это касается, в основном, высыпаний третьего типа), брались координаты середины широтного интервала высыпания протонов. При использовании данных из южного полушария за широту максимума высыпаний брался модуль значения широты.
На трех верхних панелях рис. 2 приведены индексы геомагнитной активности (Б^, АЕ и Кр) за период с 18-29.XI.20
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.