ГЕОМАГНЕТИЗМ И АЭРОНОМИЯ, 2014, том 54, № 5, с. 600-610
УДК 537.67
ВЛИЯНИЕ ГЕЛИОСФЕРНОЙ И ГЕОМАГНИТНОЙ ОБСТАНОВКИ НА ДИНАМИКУ ПОТОКОВ РЕЛЯТИВИСТСКИХ ЭЛЕКТРОНОВ ВНЕШНЕГО РАДИАЦИОННОГО ПОЯСА ЗЕМЛИ ВБЛИЗИ МИНИМУМА СОЛНЕЧНОЙ АКТИВНОСТИ В 2008-2010 гг. © 2014 г. Ю. С. Шугай1, И. С. Веселовский1* 2, О. С. Яковчук1, И. Н. Мягкова1
Научно-исследовательский институт ядерной физики им. Д.В. Скобельцына МГУ, г. Москва 2Институт космических исследований РАН, г. Москва e-mail: jshugai@srd.sinp.msu.ru Поступила в редакцию 24.09.2013 г. После доработки 03.03.2014 г.
Во время минимума 23-го цикла солнечной активности в 2009 году наблюдалось общее понижение потока релятивистских электронов во внешнем радиационном поясе Земли почти на три порядка величины. Возможной причиной такого поведения была очень низкая геомагнитная активность при экстремально слабом межпланетном поле в этот период времени. Это понижение сменилось ростом потоков релятивистских электронов на два порядка величины в течение нескольких месяцев после минимума в числе пятен на Солнце в начале 2010 года.
DOI: 10.7868/S0016794014050174
1. ВВЕДЕНИЕ
Проблема формирования внешнего радиационного пояса Земли (ВРПЗ) продолжает входить в число наиболее актуальных задач современной космофизики. На сегодняшний день в распоряжении исследователей имеется значительное количество информации о динамике потоков релятивистских электронов (РЭ), полученных в экспериментах на различных космических аппаратах (КА). Тем не менее, несмотря на богатый экспериментальный материал и на многочисленные эмпирические и численные модели ускорения магнито-сферных электронов (см., например, обзоры Friedel et al. [2002], Shprits et al. [2008]) вплоть до настоящего времени динамика потоков РЭ на разных фазах солнечной активности (СА) во многом остается непонятной. Также до сих пор не существует общепринятых моделей, с достаточной точностью предсказывающих вариации потоков РЭ в околоземном космическом пространстве.
По современным представлениям, ВРПЗ формируется и эволюционирует под действием сложного комплекса адиабатических и неадиабатических процессов ускорения, переноса и потерь частиц [Friedel et al., 2002; Shprits, et al., 2008; Turner et al., 2012]. В работе [Antonova et al., 2011] авторами рассматривается возможная роль ускорения электронов ВРПЗ до релятивистских энергий в локальных магнитных ловушках.
Типичная картина вариаций ВРПЗ во время магнитных бурь такова. Потоки РЭ падают на глав-
ной фазе бури, то есть старый пояс РЭ значительно ослабляется или даже исчезает [Kuznetsov et al., 2007]. Возрастания, превышающие добуревой уровень, происходят на фазе восстановления (см., например, Reeves et al. [2003]; Turner et al. [2012]), то есть, по сути, возникает новый, зачастую более интенсивный и расположенный ближе к Земле пояс РЭ [O'Brien et al., 2001]. Новый пояс РЭ начинает формироваться через сутки-двое после резкого увеличения скорости солнечного ветра (СВ) более 450 км/с за счет прихода к границе магнитосферы Земли рекуррентного высокоскоростного потока (ВСП) СВ или корональ-ного выброса массы (КВМ). Следует отметить, что только в 50% умеренных геомагнитных бурь происходит возрастание потоков РЭ на геосинхронной орбите (см., например, Friedel et al. [2002]; Reeves et al. [2003]).
Корреляция между потоками РЭ на геосинхронной орбите, скоростью СВ и другими параметрами была описана еще в 1979 году [Paulikas and Blake, 1979] и является наиболее известным экспериментальным результатом в изучении радиационных поясов Земли.
В работе Reeves et al. [2011] на данных о потоках электронов с LANL-GEO ESP в диапазоне 1.8—3.5 МэВ, измерявшихся с сентября 1989 по декабрь 2009 года, показано, что высокий поток РЭ наблюдается не только в момент максимальной скорости СВ, но и позже, когда скорость СВ уже упала. Кроме того Reeves et al. [2011] подтвердили известный факт, что максимальный поток
РЭ наблюдается через 2—3 дня после максимума в скорости СВ.
Некоторые исследователи отмечают, что наряду с увеличением плотности в ВСП СВ, южноориентированная Bz компонента межпланетного магнитного поля (ММП) ведет к возрастанию интенсивности потока РЭ [McPherron et al., 2009]. Тем не менее, другие исследования утверждают обратное [Boynton et al., 2013] и объясняют свою точку зрения тем, что когда наблюдается ВСП СВ, который приводит к увеличению потоков электронов, он почти всегда будет сопровождаться периодами времени, когда ММП имеет южную ориентацию Bz, но поворот вектора Bz компоненты ММП к югу происходит гораздо чаще, чем приход ВСП СВ. Таким образом, южно-направленная Bz компонента может существовать при низкой скорости СВ, а увеличения потока электронов при этом не будет наблюдаться. Это означает, по мнению авторов работы [Boynton et al., 2013], что статистически поворот Bz компоненты на юг не так важен, как увеличение скорости СВ.
В настоящей работе был рассмотрен интервал времени в период минимума СА, 2008—2010 гг. Следует отметить, что минимум 23-го цикла оказался самым длительным за всю космическую эру, что было невозможно предсказать заранее [Li et al., 2011]. Начиная с 1933 года, минимум 23—24 солнечного цикла имел самое большое количество дней, когда не наблюдалось солнечных пятен. Во время этого уникального периода СА потоки РЭ в 2009 году уменьшились более чем на порядок по сравнению с измеренными в 2007 году. Возможной причиной такого поведения РЭ в 2009 году стало экстремально слабое ММП и более медленные потоки СВ в этот период даже по сравнению с минимумом предыдущего цикла в 1997 году [Kataoka and Miyoshi, 2010]. Роль ВСП СВ в формировании ВРПЗ при экстремально низком уровне СА показана в работе [Myagkova et al., 2011]. Другим отличием этого и предыдущего минимума СА был уровень геомагнитной возмущен-ности — средний уровень Kp индекса в предыдущем цикле СА был значительно выше.
В данной статье представлен анализ распределения гелиосферных и геомагнитных параметров, сопровождающих рост потока РЭ, измеренного на геостанционарной орбите КА GOES в 2008—2010 гг. Применен способ, который позволяет автоматически выделять и обрабатывать периоды значительного кумулятивного роста потока РЭ от 5 х 102 частиц/см2 с ср. Выполненная работа позволила рассмотреть возможные причины резкого роста потоков РЭ ВРПЗ период минимума 23-го и начала роста 24-го цикла СА. Что касается практической ценности данных исследований, то на сегодняшний день имеется множество экспериментальных подтверждений негативного влияния космической погоды на работоспособность КА
[Романова и др., 2005; Iucci et al., 2005; Shprits et al., 2011; Тверская, 2011]. В будущем же, в связи с постоянным усложнением и ростом количества КА и миниатюризацей спутниковой электроники понимание динамики РПЗ и возможность прогнозирования реакции радиационных поясов на изменения физических параметров в потоке СВ становятся все актуальнее.
В работе использовались данные о параметрах СВ и ММП с КА ACE (http://www.srl.caltech. edu/ACE/ASC/level2/), значения геомагнитных индексов с (http://wdc.kugi.kyoto-u.ac.jp/), а также данные о потоках электронов с энергиями больше 2 МэВ с КА GOES: до 30 ноября 2009 использовались данные с G0ES-10, а с 1 декабря 2009 по конец 2010 года с GOES-11. Данные о среднемесячных числах Вольфа были взяты с сайта http:// sidc.oma.be/sunspot-data/.
2. СОЛНЕЧНАЯ, ГЕЛИОСФЕРНАЯ И ГЕОМАГНИТНАЯ АКТИВНОСТЬ И ПОТОКИ РЭ ЗА ПЕРИОД 2008-2010 гг.
Спад 23-го цикла был необычно продолжительным по сравнению с предыдущими солнечными циклами и минимум по сглаженным солнечным пятнам пришелся на ноябрь 2008 года [Li et al., 2011]. Период низкой солнечной, гелиосферной и магнитосферной активности продолжался до конца 2009 и затем сменился достаточно быстрым (за 1-2 месяца) ростом.
Изменение солнечной, гелиосферной и магни-тосферной обстановки представлено на рис. 1 в виде чисел Вольфа, а также сравнения на сглаженных за тридцатидневным скользящим средним значений скорости СВ, модуля вектора ММП, геомагнитных индексов Kp и АЕ с потоком РЭ с энергиями больше 2 МэВ за период 2008-2010 гг. На рисунке 1 виден медленный спад среднемесячных значений потока РЭ с 104 до 1 частиц/см2 с ср с января 2008 года по декабрь 2009 года, а затем быстрый рост до 104 частиц/см2 с ср в начале 2010 году. Значительное увеличение потока РЭ в 2010 году происходит через несколько месяцев после начала роста числа солнечных пятен и модуля ММП, но практически синхронно со средней скоростью СВ и геомагнитной активностью (Kp и АЕ индексы), что хорошо видно на графиках рис. 1.
Усредненный модуль ММП хорошо коррелирует с потоком РЭ только в 2008 году при значительной рекуррентной активности (таблица). Среднегодовая корреляция модуля ММП и потока РЭ низкая в 2009 году. Как отмечалось выше, одной из возможных причин минимальных потоков РЭ в 2009 году может быть экстремально слабое ММП. Текущий минимум СА примечателен тем, что солнечные магнитные поля в полярных областях Солнца приблизительно на 40% слабее, чем в течение предыдущих трех минимумов [Wang et al.,
св
-е
л ч о Ю
т Ч о
и
&
35 30 25 20 15 10
Среднемесячные числа Вольфа
Сглаженные числа Вольфа
т ш сл
О О О О
00 00 00 00 00 00СЛСЛСЛСЛСЛСЛ
т ш сл
00000 00000
222222222222222222
1200 1100 1000 900 ^ 800 м 700 ^ 600 500 400 300 200 1
— V — Среднее V — Е > 2 МэВ — Среднее Е > 2 МэВ
«щяш
_I_I_1__I_I_и
8888888999999
3
0
4
0
68 00
.0 0.
224
О О
68 00
.0 0.
32222222222
224 .1 .0 .0
. 9. 0. 12
68 00
0 0.
7.
1.Е—04
р
с с
а
я
15
с а ч
т
Рч
м
о
н
о
С
6.0 г
— \Б\ — Е > 2 МэВ
1.Е+05 & с
1.Е+01 д Рч
1.Е+00 « н
1.Е—01 д
5
0
250 200 150 100 50 0
АЕ индекс
Кп • 100 индекс
Е > 2 МэВ
8 8 8 8 8 8 9 9 9 9 9 9 0 0 0 0 0 0
.0 .0 .0 .0 .0 .0 .0 .0 .0 .0 .0 .0 .1 .1 .1 .1 .1 .1
1. 3. 5. 7. 9. 1. 1. 3. 5. 7. 9. 1. 1. 3. 5. 7. 9. 1.
.0 .0 .0 .0 .0 .1 .0 .0 .0 .0 .0 .1 .0 .0 .0 .0 .0 .1
1. 1. 1. 1. 1. 1. 1. 1. 1. 1. 1. 1. 1. 1. 1. 1. 1. 1.
0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0
1.Е+05 ср с
1.Е+04 ^
с
се Я и
н
с а ч
1.Е+01 д Рч
1.Е+00 ок
Н
о
С
1.Е—01
Рис. 1. Свер
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.