научная статья по теме СОЛНЕЧНЫЕ ПРОТОНЫ В МАГНИТОСФЕРЕ ЗЕМЛИ ПО РИОМЕТРИЧЕСКИМ И СПУТНИКОВЫМ ДАННЫМ ВО ВРЕМЯ МАГНИТНЫХ БУРЬ В ОКТЯБРЕ 2003 Г Астрономия

Текст научной статьи на тему «СОЛНЕЧНЫЕ ПРОТОНЫ В МАГНИТОСФЕРЕ ЗЕМЛИ ПО РИОМЕТРИЧЕСКИМ И СПУТНИКОВЫМ ДАННЫМ ВО ВРЕМЯ МАГНИТНЫХ БУРЬ В ОКТЯБРЕ 2003 Г»

АСТРОНОМИЧЕСКИЙ ВЕСТНИК, 2007, том 41, № 5, с. 466-471

УДК 523.62

СОЛНЕЧНЫЕ ПРОТОНЫ В МАГНИТОСФЕРЕ ЗЕМЛИ ПО РИОМЕТРИЧЕСКИМ И СПУТНИКОВЫМ ДАННЫМ ВО ВРЕМЯ МАГНИТНЫХ БУРЬ В ОКТЯБРЕ 2003 г.

© 2007 г. |С. Н. Кузнецов*, Л. Л. Лазутин*, Ю. Маннинен**, А. Н. Подорольский*, А. Ранта**, С. Н. Самсонов***, А. В. Широчков****, Б. Ю. Юшков*

*Научно-исследователъский институт ядерной физики им. Д.В. Скобельцына, МГУ им. М.В. Ломоносова, Москва, Россия **Геофизическая обсерватория Соданкиля, Финляндия ***Институт космофизических исследований и аэрономии им. Ю Г. Шафера СО РАН, Якутск, Россия ****Арктический и антарктический научно-исследовательский институт, Санкт-Петербург, Россия

Поступила в редакцию 10.02.2007 г.

Потоки и границы проникновения солнечных космических лучей, измеренные на ИСЗ КОРОНАС-Ф во время октябрьских супербурь 2003 г., сравниваются с измерениями риометрического поглощения на мировой сети риометров. Исследуется динамика границ полярной шапки на разных стадиях магнитных бурь. Рассчитана зависимость величины поглощения на разных стадиях вспышки солнечных космических лучей от времени суток и спектра солнечных протонов.

РАС8: 96.30.С-

ВВЕДЕНИЕ

Солнечные космические лучи (СКЛ) с энергией от единиц до сотен МэВ, генерированные во время хромосферных вспышек на Солнце, относительно свободно проникают в хвост магнитосферы Земли, проектирующийся в ионосфере на полярную шапку. В ионосфере солнечные протоны существенно повышают уровень ионизации в ^-слое, что приводит к увеличению поглощения радиоволн в диапазоне 10—50 МГц. Этот тип поглощения носит название поглощения в полярной шапке (ППШ), в отличие от аналогичных эффектов, вызываемых авроральными электронами (Дриацкий, 1974; На^геауе8 и др., 1993; Яайа и др., 1995; Лазутин и др., 1969).

Наиболее распространенным прибором для измерения поглощения является риометр, непрерывно отслеживающий уровень поглощения космического радиошума. Хотя риометрическое поглощение не несет сведений о вариациях спектра протонов и к тому же часто "замусорено" поглощением, создаваемым высыпанием авроральных электронов и вплесками радиоизлучения как естественного (Солнце), так и антропогенного происхождения, наличие большой сети риометров позволяет использовать их данные для контроля временных вариации СКЛ как самостоятельно, так и в сочетании с измерениями низковысотных спутников.

Проводившиеся ранее сравнения интегральных потоков солнечных протонов и ППШ показали, что поток протонов пропорционален квадрату поглощения, выраженного в децибеллах, и что

основной вклад в поглощение вносят протоны с энергией выше 10-15 МэВ (Patterson и др., 2001; Croom, 1973). Так как спектры СКЛ меняются и от события к событию, и в течение каждой вспышки СКЛ, а характеристики детекторов частиц на разных спутниках сильно отличаются, результаты сравнения существенно различаются. Поэтому для количественных оценок следует проводить индивидуальные сравнения для данного конкретного спутника.

В настоящей работе обсуждаются результаты сравнения ППШ с измерениями солнечных протонов на ИСЗ КОРОНАС-Ф во время серии вспышек СКЛ и сопровождающей их экстремальной геомагнитной активности в октябре 2003 г. Основная задача - получить коэффициенты связи для конкретных энергетических каналов детекторов частиц ИСЗ КОРОНАС-Ф, а также выяснить, какие энергетические диапазоны протонов наиболее эффективны в отношении ионизации .D-слоя ионосферы и в какой мере данные риометров отслеживают динамику потока протонов и движения границ проникновения протонов в магнитосферу Земли.

РЕЗУЛЬТАТЫ ИЗМЕРЕНИЙ

Период повышенной интенсивности СКЛ начался 26 октября и окончился 6 ноября 2003 г. Серия октябрьских бурь и вызвавших их процессов на Солнце и в межпланетном пространстве были подробно рассмотрены в коллективных обзорах коллаборации российских ученых (Веселовский и др., 2004; Панасюк и др., 2004) и отдельных ста-

Магнитная широта, град 90 г .

80

70

60

50

40

H х

A Sx R

х O х

15 : 20 UT

_i_I_

х х 07 : 30 UT

дБ

60 80 100 120 140 Магнитная долгота, град

Рис. 1. Взаимное положение риометрических станций скандинавской цепочки (приведены заглавные буквы названий станций Хорнсунд (Н), Ивало (I), Соданкиля (8), Рованиеми (Я), Оулу (О) и Ювискиля (I)) и траектории ИСЗ КОРОНАС-Ф (крестики) в магнитной системе координат 30 октября 2003 г.

тьях, опубликованных в двух специальных номерах журнала "Космические исследования".

ИСЗ КОРОНАС-Ф имеет практически круговую орбиту с наклонением 82.5° и высотой 415— 445 км. Детекторы, данные которых использованы в настоящей работе, описаны Кузнецовым и др. (1995). В работе использовались риометриче-ские данные меридиональной цепочки в Скандинавии: Хорнсунд (международный код станции HOR, исправленная геомагнитная широта 73.8°), Ивало (IVA, 65.0°), Соданкиля (SOD, 63.9°), Рованиеми (ROV, 63.2°), Оулу (OUL, 61.5°), Ювискиля (JYV, 58.8°), а также обсерватории Тикси (TIK, 65.65°) Якутского меридиана. На рис. 1 показано положение риометрических станций скандинавской цепочки и несколько траекторий спутника ИСЗ КОРОНАС-Ф 30 октября в магнитной системе координат. На рис. 2 приведен суммарный график риометрического поглощения на станциях Тикси и Соданкиль. Вариации поглощения отражают как реальный временной ход потока протонов, так и суточную волну поглощения с максимумом в дневное время (полдень в Соданкиле - в 10.30 UT, в Тикси - в 03.40 UT).

Поскольку в рассматриваемый период суббуревая активность была велика, для анализа вариаций ППШ необходимо отделить вклад в поглощение, создаваемый высыпанием авроральных электронов (авроральное поглощение - АП). Для этого не существует какой-либо стандартной процедуры. Нами использовались морфологиче-

26 27 28 29 30 31

Октябрь 2003 г.

Рис. 2. Риометрическое поглощение в Соданкиле -верхняя панель и Тикси (Т1К) - нижняя панель.

ские отличия ППШ и АП - последние кратковременные совпадают на ночной стороне с бухтооб-разными возмущениями магнитного поля. На утренней и дневной стороне выделить АП труднее, так как бухты поглощения более плавные, длятся до нескольких часов и задержаны по времени относительно суббуревых активаций в ночном секторе. И хотя помогает дополнительный критерий отбора, а именно временной ход интенсивности солнечных протонов, измеренный на ИСЗ КОРОНАС-Ф, тем не менее в отдельных моментах остается неопределенность в идентификации источника кратковременных вариаций, например, во время главной фазы бури 29 октября.

СВЯЗЬ ППШ С ПОТОКАМИ СОЛНЕЧНЫХ ПРОТОНОВ

Анализ физических процессов, приводящих к поглощению радиоволн в ионосфере, (см., например, монографию Дриацкого (1974)), предсказывает линейную взаимосвязь между квадратом величины поглощения и потоком протонов Зр\

^ = КЛ\ (1)

где А - поглощение в дБ на частоте 30 МГц, К -коэффициент, зависящий от рабочей частоты риометра, параметров антенны, спектра протонов и состояния ионосферы.

На рис. 3 приведены результаты сравнения риометрического поглощения и потока протонов в полярной шапке для дневного и ночного поглощения по нашим данным. Точность определения величины ППШ в диапазоне до 1 дБ определяется точностью определения суточного хода невозмущенного уровня радиошума и может быть менее 0.1 дБ. Однако возросший в последние десятилетия уровень помех и сложность учета вклада в по-

J

J, (см2с х ср) 1 105

104 103

Т ^РЛ^ V Г'ТЛ^1

(б) #

1111 1.......1 1 111111 о \ + \о + % -н- офо +

= , ' ' +

' о + ......... 1-5 МэВ

- о т1к + sod

+ о " о , • у'

; .' +ф + о о

14-26 МэВ

100.0

1000.0 0.1

л2

1.0

10.0

100.0

л2

Рис. 3. Взаимосвязь риометрического поглощения типа полярной шапки и потока протонов, измеренных в двух каналах детектора ИСЗ КОРОНАС-Ф, для дневного сектора. Крестики относятся к измерениям в Скандинавском секторе, ромбики - в Якутском. Данные для дневного сектора - (а); для ночного сектора - (б).

глощение электронных высыпаний приводят к более существенному разбросу точек. С учетом точности и возможных ошибок при расчете поглощения отметим хорошее совпадение измерений двух цепочек между собой и с измерениями потока протонов на спутнике. Пунктирные линии,

Л (см2с х ср)-1 10

1-5 МэВ XX 14-26 МэВ ++ 50-90 МэВ

ROV

08

09

10

11

о

о

ГУА

X

X

+ + JYV + +

12 ит, ч

Рис. 4. Синхронный ход поглощения и потока протонов 30 октября 2003 г. Индексы около кривых соответствуют международному коду станций.

проведенные на графиках, описываются формулой (1), где коэффициенты К для дневного и ночного поглощения и энергии протонов 1-5 МэВ равны 400 и 2000, а для энергетического диапазона 14-26 МэВ 10 и 100 соответственно.

В большинстве работ предполагается, что основной вклад в поглощение вносят протоны с энергией выше 10-15 МэВ, поэтому хорошая связь величины ППШ с потоком протонов с энергиями 1-5 МэВ несколько неожиданна. Этот результат не является простым следствием синхронных вариаций потока протонов в целом. У нас есть возможность убедиться в том, что протоны с этими энергиями действительно вносят вклад в поглощение. Например, рис. 4 показывает, что на временном отрезке 08-12 иТ 30 октября рост поглощения связан с ростом потока протонов именно в диапазоне 1-5 МэВ, поскольку в остальных каналах роста потока нет. Аналогичная ситуация отмечалась в 02-07 иТ 29 октября. Характер вариаций потока протонов вновь расходится: поток энергичных протонов падает, а низкоэнергичных - растет. По данным риометров поглощение на этих отрезках тоже возрастает, что доказывает существенный вклад в поглощение протонов с энергией 1-5 МэВ.

Отметим, что для ночного ППШ численная зависимость от потока солнечных протонов полу-

2

0

J, (см2с х 10000.00

1000.00

100.00

ср)-1

14-26 МэВ д

д

д * * А А

1-5 МэВ

* ** ** *

50-90 МэВ

10.00

1.00

0.10 -

0.01

- # &

N вечер - ■■ N утро j S вечер S утро J_L

26

Рис. 5. Сравнение вычисленного по риометрическому поглощению на станциях Абиско, Ювискиля и Оулу потока протонов с энергиями 1-5 МэВ (сплошные линии) с измерениями потока протонов на ИСЗ КОРО-НАС-Ф на стадии роста потока СКЛ 28 октября 2003 г.

чена впервые, благодаря э

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