ИЗВЕСТИЯ РАН. СЕРИЯ ФИЗИЧЕСКАЯ, 2015, том 79, № 5, с. 700-702
УДК 523.14
ВРЕМЕННЫЕ И ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ВСПЛЕСКОВ ВЫСОКОЭНЕРГИЧНЫХ ЭЛЕКТРОНОВ В МАГНИТОСФЕРЕ ЗЕМЛИ, СВЯЗАННЫЕ С ГЕОФИЗИЧЕСКИМИ ПРОЦЕССАМИ © 2015 г. С. Ю. Александрии, А. М. Гальпер, Т. Р. Жараспаев, С. В. Колдашов
Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования Национальный исследовательский ядерный университет "МИФИ", Москва E-mail: SYAleksandrin@mephi.ru
С помощью численного моделирования проводится изучение процессов распространения в магнитосфере облака электронов, высыпавшихся из радиационного пояса при его локальных возмущениях. Показано, что при пересечении такого облака космическим аппаратом регистрируются всплески частиц, характеристики которых определяются свойствами самих частиц и условиями наблюдения. Был проведен анализ временных и энергетических характеристик всплесков электронов, полученных по данным спутниковых экспериментов АРИНА и ВСПЛЕСК, который выявил для ряда всплесков корреляцию между энергией частиц и временем их регистрации, что позволило локализовать зону возмущения радиационного пояса.
DOI: 10.7868/S0367676515050038
ВВЕДЕНИЕ
Всплески высокоэнергичных электронов в околоземном космическом пространстве (ОКП) активно изучаются на протяжении последних 20 лет. Выполненные работы показали, что основная часть всплесков частиц имеет геофизическую природу и связана с сейсмической и грозовой активностью [1—7]. Из современных спутниковых измерений, направленных на изучение всплесков электронов и геофизических эффектов, их вызывающих, отметим российские (АРИНА и ВСПЛЕСК [8]) и зарубежные (DEMETER, PET/SAMPEX и POES [6, 9, 10]).
Физическая модель образования всплесков электронов следующая [2, 7]. Как известно, перед сильными землетрясениями (за несколько часов) генерируется низкочастотное электромагнитное излучение в очаге, которое, распространяясь через атмосферу и ионосферу в ОКП, может вызвать локальное возмущение траекторий электронов в радиационном поясе (РП) Земли с высыпанием части их на спутниковые высоты. Облако из высыпавшихся частиц дрейфует вдоль Z-оболоч-ки вокруг Земли. Через некоторое время, которое порядка периода долготного дрейфа и составляет от нескольких десятков секунд до нескольких минут для высокоэнергичных частиц, возмущение охватывает всю оболочку. Когда низкоорбитальный космический аппарат (КА) пересекает эту возмущенную Z-оболочку, приборы регистрируют резкое кратковременное возрастание потока частиц (всплеск). При этом Z-координата оболочки совпадает с координатой локального воз-
мущения РП. В работах [2, 3] показано, что, в принципе, изучая характеристики всплесков частиц, можно определить местоположение возмущения РП, а для сейсмических всплесков — очага землетрясения.
Важно выделить два эксперимента АРИНА и ВСПЛЕСК [8] среди других измерений, поскольку светосила этих приборов больше на порядок величины, что позволило выявлять слабые всплески и, таким образом, увеличить число изучаемых всплесков, а также обнаружить в них временные и энергетические особенности.
1. ЧИСЛЕННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ ФОРМИРОВАНИЯ ВСПЛЕСКОВ ЭЛЕКТРОНОВ
Как было описано выше, часть высыпавшихся частиц дрейфует вдоль Ь-оболочки вокруг Земли. Скорость долготного дрейфа частиц зависит от места высыпания и их энергии. Время дрейфа частиц (Гдр) от места высыпания до места их регистрации на КА определяется по формуле (1), где Е — энергия частицы, Е0 — энергия покоя, Ь — координата Мак-Илвайна, К — коэффициент, зависящий от питч-угла на экваторе, и Дк — долготное расстояние в градусах, которая прошла частица:
Т .... (1 + Е/Ер) К АХ
ГДр(Ал) = —---, мин. (1)
др 4.1(2 + Е/Ер) ЕЕ
Методика моделирования этого процесса и регистрации облака электронов сводилась к следующему. Задавалось местоположение возмущения РП и орбита КА. Предполагалось, что высыпание
ВРЕМЕННЫЕ И ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ
701
частиц из РП было мгновенным, т.е. время высыпания АТвыс много меньше периода долготного дрейфа АТвыс <§ Тдр. Диапазон энергий был выбран 3 МэВ—30 МэВ, что соответствует энергетическому диапазону приборов АРИНА и ВСПЛЕСК. Период долготного дрейфа для таких электронов составляет ~2—20 мин. Спектр высыпавшихся электронов описывался степенной функцией Е— (параметр у = 1.5), ширина возмущенной Х-оболочки — |АХ| = 0.07. Эти значения были выбраны в соответствии с экспериментальными данными, приведенными в [5].
Варьируя параметры моделирования, такие как показатель энергетического спектра электронов у и характеристики Х-оболочки (Х, АХ), определялось долготное расстояние между местом регистрации и зоной локального возмущения РП (АХ). Анализ результатов моделирования и сравнение их с экспериментальными данными удобно проводить в двумерном пространстве энергии Е и времени I, откладывая энергию регистрируемой частицы в зависимости от времени ее регистрации. Е и I — это характеристики частицы, время I отсчитывается от начала всплеска. Были рассчитаны временные профили и распределения электронов в пространстве Е—1 для различных параметров моделирования.
В зависимости от долготного расстояния X между областями высыпания и регистрации всплеска облако из высыпавшихся электронов из-за разности скоростей дрейфа для разных энергий частиц расширяется вдоль Х-оболочки. В частности, для облака электронов, прошедшего до места их регистрации 180° по долготе, длительность всплеска составит порядка 12 мин. При этом КА пересекает возмущенную оболочку за время не более нескольких минут [11], т.е. в реальном эксперименте может регистрироваться лишь часть электронов облака. Естественно, это обстоятельство приводит к определенной потери информативности всплесков частиц о начальных параметрах процесса.
В расчете учитывалось влияние стационарных потоков электронов альбедо, которые в данном случае являются фоном и вносят искажение в энергетические и временные распределения электронов. Варьированием соотношения между фоновым потоком и потоком высыпавшихся частиц были изучены временные профили и Е— ¿-распределения всплесков электронов в различных условиях их регистрации на КА. Результаты моделирования показали, что потоки частиц альбедо будут заметно искажать временной профиль всплеска, на низких энергиях и особенно при Е ~ 3 МэВ, в то время как при Е > 10 МэВ искажение практически отсутствует.
Скорость дрейфа частиц зависит не только от их энергии, но и от Х-параметра дрейфовой обо-
Е, МэВ 25
20
15
10
J_I_I_I_I_I_I_I_I_I_I
10
10
20
30
40
50
60 I, с
Рис. 1. Е—¿-распределения электронов во время всплеска 24 августа 2009 года. (пояснения к рисунку см. в тексте).
лочки. Результаты моделирования показали, что электроны с разными энергиями, дрейфуя на близких Х-оболочках (в пределах |АХ| < 0.07), могут как опережать, так и заметно отставать друг от друга даже при одинаковых энергиях. Было показано, что для устранения такого эффекта необходимо при анализах временных профилей и Е—¿-распределений выбирать электроны из облака, дрейфующие вдоль Х-оболочек, удовлетворяющих условию |АХ| < 0.03.
2. КРИТЕРИИ ОТБОРА СОБЫТИЙ И АНАЛИЗ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ДАННЫХ
Результаты численного моделирования позволили выработать основные критерии отбора событий из экспериментальных данных с целью поиска особенностей во временных и энергетических распределениях всплесков частиц, отражающих их связь с местоположением области возмущения РП. Всплески частиц должны лежать на низких Х-обо-лочках (Х < 1.5), где время пребывания КА наибольшее, чтобы зарегистрировать основную часть электронов облака. Ширина дрейфовой оболочки для анализа частиц всплеска не должна превышать |АХ| < 0.03.
К настоящему времени в экспериментах АРИНА и ВСПЛЕСК была собрана база данных, насчитывающая несколько сотен всплесков электронов. Среди них было найдено несколько всплесков, представляющих интерес для анализа корреляций в Е—¿-распределениях. В качестве примера на рис. 1 приведен всплеск электронов длитель-
5
0
0
7 ИЗВЕСТИЯ РАН. СЕРИЯ ФИЗИЧЕСКАЯ том 79 № 5 2015
7G2
АЛЕКСАНДРИИ и др.
Широта, град
Долгота, град
Рис. 2. Предполагаемые области высыпания частиц (серый) и точка — место регистрации всплеска электронов (29° с.ш. 2° в.д.) 24 августа 2009 года, черная линия — Х-оболочка, соответствующая месту регистрации всплеска.
ностью около минуты, наблюдавшийся прибором АРИНА 24 августа 2009 года. Точки на графике получены с помощью усреднения времен регистрации в заданных энергетических интервалах. За I = 0 принималось время начала всплеска. Видно, что в начале всплеска были зарегистрированы электроны высоких энергий и через несколько десятков секунд менее энергичные. Варьированием долготы возможного местоположения локального возмущения РП была получена кривая (методом наименьших квадратов), связывающая время регистрации частиц всплеска и их энергии. На рис. 2 показаны всплеск электронов (отмечен точкой), Х-оболочка (черная линия в южном и северном полушариях), которая соответствует месту регистрации всплеска, и зона предполагаемого возмущения РП (отмечено серым). Относительно большие размеры области, в которой может находиться зона локального возмущения РП, определяются в данном случае как характеристиками прибора (его энергетическим разрешением, светосилой и др.), так и шириной возмущенной Х-оболочки, на которой был зарегистрирован всплеск. Эта область содержит часть Срединно-Атлантического тектонического разлома и захватывает район повышенной грозовой активности в Южной Америке.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
На основе численного моделирования процессов распространения в магнитосфере высыпавшихся из РП электронов были изучены временные и энергетические характеристики всплесков высокоэнергичных электронов, формируемых при локальных возмущениях радиационного пояса Земли. Показана возможность определения областей возмущения РП. высыпания частиц по результатам измерений всплесков частиц.
Выполнен анализ всплеск электронов в эксперименте АРИНА, содержащий особенности в энергетических и временных распределениях электронов. Определена зона локаль
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.