КОСМИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ, 2012, том 50, № 3, с. 234-241
УДК 550.385
Памяти Сергея Николаевича Кузнецова
БУРЕВЫЕ ОТКЛОНЕНИЯ СЕРДЦЕВИНЫ ГЕОМАГНИТНОЙ ЛОВУШКИ ОТ ДИПОЛЬНОЙ КОНФИГУРАЦИИ ПО ДАННЫМ О РЕЛЯТИВИСТСКИХ ЭЛЕКТРОНАХ © 2012 г. А. С. Ковтюх
Научно-исследовательский институт ядерной физики им. Д. В. Скобельцына МГУ
kovtyukhas@mail.ru Поступила в редакцию 28.02.2011 г.
Проводится сравнение данных ИСЗ, полученных на малых высотах (~500 км) и на больших высотах вблизи плоскости геомагнитного экватора, о положении Ьт максимума пояса релятивистских электронов во время сильных бурь (Ь — параметр Мак-Илвайна). На малых, как и на больших, высотах максимум буревого пояса релятивистских электронов формируется на внешней кромке кольцевого тока. Показано, что геомагнитное поле может существенно отклоняться от дипольной конфигурации не только на периферии геомагнитной ловушки, но и в ее сердцевине (на Ь ~ 2.5—3.5) и эти отклонения нелинейны. Одновременные измерения потоков релятивистских электронов на малых и больших высотах могут служить для оценки реальной формы магнитных силовых линий на Ь < 4 во время геомагнитных возмущений.
ВВЕДЕНИЕ
Проблема генерации внешнего пояса релятивистских электронов остается открытой, хотя предложен ряд теорий, каждая их которых в той или иной мере объясняет отдельные особенности наблюдений. Поэтому важны любые количественные закономерности, основанные на экспериментальных данных и относящиеся к данной проблеме.
При анализе данных, полученных на низковысотных ИСЗ, вместе с физическими задачами приходится решать и ряд методических задач, связанных с тем, что механизмы буревых/суббуревых переформирований радиационных поясов реализуются в основном вблизи экваториальной плоскости. Поэтому для корректного анализа низковысотных данных о поясах в общем контексте динамики магнитосферы необходима, прежде всего, реалистичная динамическая модель магнитного поля, позволяющая проецировать эти данные на экваториальную плоскость.
Для такого анализа необходима также информация о питч-угловых распределениях частиц радиационных поясов, которая не всегда представлена в данных полярных ИСЗ и в лучшем случае отражает лишь незначительную часть экваториальных питч-угловых распределений захваченных частиц вблизи конуса потерь. Так, для высот ~500 км на Ь = 2.5 диапазон экваториальных питч-углов а0 частиц ограничен а0 < 21° и с увеличением Ь он сужается (до а0 < 6° на Ь = 4).
Отмеченные неопределенности усложняют и размывают физические выводы о динамике радиационных поясов, полученные по данным полярных ИСЗ.
Вместе с тем, низковысотные (~500—1000 км) полярные ИСЗ в течение каждого периода обращения вокруг Земли (~90—100 мин), на каждом витке, пересекают область радиационных поясов четыре раза в двух противоположных секторах МЕГ в северном и южном полушариях, а период обращения высокоэллиптических ИСЗ составляет от ~5—12 ч до 1—2 сут и на каждом витке они пересекают пояса только два раза в близких по МЕГ секторах. Таким образом, по сравнению с высокоэллиптическими спутниками полярные ИСЗ значительно быстрее (чаще) и полнее сканируют картину радиационных поясов и, следовательно, могут подробнее отслеживать их буревую динамику.
С практической точки зрения результаты, полученные на низковысотных ИСЗ представляют не меньший или даже больший интерес, чем результаты ИСЗ с высокоэллиптическими орбитами и малым наклоном к плоскости эклиптики: на низковысотных орбитах летает большинство пилотируемых кораблей (в том числе, МКС), метеорологических, геодезических, военных и других спутников, выполняющих практические задания.
АНАЛИЗ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ДАННЫХ
По данным высокоэллиптических ИСЗ построена хорошо известная зависимость между положением по L максимума буревого пояса релятивистских электронов (Lm) на фазе восстановления и величиной | Dst\ в максимуме данной бури
[1-3]: maX
max = 27500 . Zm4, (1)
где Dst — в нТл.
Поскольку зависимость (1) была получена путем простого нормирования экспериментальных
данных к степенному закону \Dst\max к Lm4, имеет смысл провести более полный математический анализ и уточнить ее параметры.
Наиболее полные экспериментальные данные для буревого пояса релятивистских электронов, полученные на больших высотах во время 23 бурь различной силы (с |Ds<| max от ~30 до ~400 нТл), были представлены в работе [3].
На рис. 1 точками нанесены эти данные для релятивистских электронов и полужирной линией — зависимость (1). Светлые и темные точки получены в разные периоды измерений.
Методом наименьших квадратов эти данные можно аппроксимировать степенной функцией
N max = 1-19 • 1°4(I«)
нанесенной на рис. 1 тонкой линией. Для зависимости (1а) коэффициент корреляции R = —0.944 и дисперсия по Lm составляет 0.12. Пунктирной линией на рис. 1 представлена также зависимость
Ln
5
4
N
= 104 L
-3.24
(1b)
вычисленная по тем же данным за исключением точки с тах = 33 нТл. Для зависимости (1Ь) коэффициент корреляции Я = —0.946 и дисперсия по Ьт составляет 0.12. Поскольку коэффициент корреляции и дисперсия по Ьт для (1а) и (1Ь) практически идентичны, в дальнейшем мы будем пользоваться зависимостью (1а).
Первоначально зависимость (1) была построена по данным, полученным на больших высотах [1—3], но в дальнейшем она применялась и к данным, полученным как на больших, так и на малых высотах (см., например, [4—7]). Однако из приведенных в [5] экспериментальных результатов для отдельных бурь видно, что на малых высотах максимум пояса релятивистских электронов располагается на меньших Ь.
При обсуждении зависимости (1) в [2] высказывалась гипотеза, что максимум буревого внешнего пояса релятивистских электронов лежит в переходной области между дипольным магнитным полем и полем, сильно вытянутым от Земли.
30 50 100 200 300 400500
\Dst 1 max, нТл
Рис. 1. Минимальное по Ь положение максимума пояса релятивистских электронов на фазе восстановления бурь в зависимости от силы бури (максимального значения по данным, полученным на больших высотах и представленных в [3].
Однако в [4, 5] полагалось, что это не должно приводить к существенным различиям Ьт пояса релятивистских электронов на больших и малых высотах.
Для более полного сопоставления результатов низковысотных измерений с зависимостью (1а) хорошо подходят данные полярного ИСЗ СОЯО-ЫАЗ-Е по электронам с Е = 0.6—1.5 МэВ, полученные в северном полушарии на высоте 500 км в период с сентября 2001 по ноябрь 2004 г. и представленные в [8]. Важно отметить, что этот период включал гигантские бури в ноябре 2001 и 2004 гг. и экстремальные события в октябре—ноябре 2003 г. Для вычисления Ь в [8], как и в [1—7], использовалась модель геомагнитного поля IGRF.
Для каждой из 22-х рассмотренных в [8] сильных магнитных бурь определялось минимальное Ь, до которого продвигался максимум (Ьт) пояса релятивистских электронов на фазе восстановления, и эта величина соотносилась с величиной в максимуме соответствующей бури. С целью минимизации методических погрешностей, в этой работе для каждой бури последовательно рассматривались пересечения фиксированной по географической долготе области; поэтому временное разрешение отобранных результатов (в течение каждой бури) составляет 1 день.
Эти данные, представленные в [8] таблицей, приведены здесь на рис. 2. Для 9 из этих бурь (2003—2004 гг.) в [8] были использованы предварительные максимальные значения Б^; здесь они исправлены на окончательные (финальные) по данным сайта http://wdc.kugi.kyoto-u.ac.jp и отличаются от приведенных в [8] величин на 3—13%.
На рис. 2 данные [8] представлены разными значками. Кружками обозначены измерения во время бурь, в ходе которых новый пояс релятивистских электронов продвинулся на минимальное для данной бури расстояние от Земли уже на следующий день после максимума бури; креста-
3
2
D st I max
Рис. 2. Положение максимума пояса электронов с E =0.6—1.5 МэВ во время 22-х бурь в зависимости от силы бури по данным CORONAS-F на высоте 500 км [8].
ми — на 2-й день, треугольниками — на 3-й день и пятиугольником — на 5-й день после максимума бури. Как видно из рисунков в [8], достигнув минимального для данной бури значения Lm, максимум пояса релятивистских электронов в течение некоторого времени удерживался в этом положении, а затем, к концу бури, удалялся от Земли.
Тонкой линией на рис. 2 нанесена зависимость (1а). Некоторые точки на рис. 2 хорошо ложатся на эту линию, но большая часть точек лежит существенно или даже значительно ниже этой линии (на меньших L). Величина Lm находится из экспериментальных данных с погрешностью SLm ~ 0.2, что не может объяснить все полученные отклонения. И если для сравнения использовать зависимость (1) вместо (1а), отклонения низковысотных измерений от средних приэкваториальных в большинстве случаев только увеличиваются (ср. рис. 1 и 2).
Экспериментальную зависимость Lm (|Dst\max) для малых высот, представленную на рис. 2 значками, можно аппроксимировать степенной функцией (полужирная линия):
N max = 3089 • Lm2'45, (2)
где Dst — в нТл, с коэффициентом корреляции R = —0.81 (при использовании для 9 из 22 бурь предварительных данных по Dst, как в [8], эта зависимость аппроксимируется функцией \Dst\ = 3340 • Lm2'51 с коэффициентом корреляции! = -0.68).
К рассмотренным здесь результатам ИСЗ CORONAS-F можно было бы добавить данные измерений потоков релятивистских электронов во время бурь на других низковысотных ИСЗ, но эти результаты не меняют основного вывода и поэтому они не приводятся в данной работе. Основной
наш вывод — на малых высотах максимум пояса релятивистских электронов в среднем располагается на меньших Ь по сравнению с большими высотами (для модели магнитного поля IGRF) — сохраняется.
В отличие от данных работы [8] результаты, представленные в [4, 6, 7], получены на большей высоте (~1000 км) в южном полушарии (над Южно-Атлантической магнитной аномалией) во время супербурь (| тах > 300 нТл); они относятся к меньшим величинам В/В0 (отношение индукции в точке измерения к индукции в вершине той же силовой линии). Поэтому полученные в этих измерениях вел
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.