научная статья по теме ИНЖЕКЦИЯ РЕЛЯТИВИСТСКИХ ЭЛЕКТРОНОВ ВО ВНУТРЕННЮЮ МАГНИТОСФЕРУ ВО ВРЕМЯ МАГНИТНЫХ БУРЬ: СВЯЗЬ С СУББУРЯМИ Геофизика

Текст научной статьи на тему «ИНЖЕКЦИЯ РЕЛЯТИВИСТСКИХ ЭЛЕКТРОНОВ ВО ВНУТРЕННЮЮ МАГНИТОСФЕРУ ВО ВРЕМЯ МАГНИТНЫХ БУРЬ: СВЯЗЬ С СУББУРЯМИ»

УДК 550.385.43

ИНЖЕКЦИЯ РЕЛЯТИВИСТСКИХ ЭЛЕКТРОНОВ ВО ВНУТРЕННЮЮ МАГНИТОСФЕРУ ВО ВРЕМЯ МАГНИТНЫХ БУРЬ: СВЯЗЬ С СУББУРЯМИ © 2013 г. Л. Л. Лазутин

Научно-исследовательский институт ядерной физики им. Д.В. Скобельцына, Московского Государственного

университета им. М.В. Ломоносова, Россия e-mail: III@srd.sinp.msu.ru Поступила в редакцию 25.04.2011 г.

После доработки 25.02.2013 г.

По измерениям энергичных электронов на низковысотном спутнике SERVIS-1 впервые исследована связь быстрых возрастаний интенсивности электронов с энергией >0.3 МэВ с магнитосферными суббурями. Наряду с известным процессом радиальной диффузии, регистрируемой на фазе восстановления, измерены возрастания за время не больше 1.5 часов на главной фазе шести магнитных бурь в канале 0.3—1.7 МэВ и в трех из них — в канале 1.7—3.4 МэВ. Анализ магнитограмм аврораль-ной зоны показал, что возрастания происходят в момент активизации магнитосферной суббури. Сделан вывод, что возрастания вызываются радиальной инжекцией электронов импульсным электрическим полем, индуцированным во время суббуревых активизаций. Показано, что импульсная ин-жекция является одним из основных механизмов пополнения электронных радиационных поясов во внутренней магнитосфере и в сочетании с умеренной радиальной диффузией отвечает за появление в магнитосфере после магнитных бурь больших потоков энергичных электронов ("киллеров").

DOI: 10.7868/S0016794013050118

1. ВВЕДЕНИЕ

Динамика электронов радиационных поясов Земли во время магнитных бурь управляется процессами переноса, ускорения и потерь. Хотя основные процессы известны, исследованы теоретически, проведено компьютерное моделирование (см., обзоры [Friedel et а1., 2002; Antonova et al., 2009; Spritz et al., 2008, 2008a]), в сложном сочетании этих процессов, к тому же индивидуальном для каждой конкретной бури, проблема определения значимости каждого процесса остается нерешенной. Особенно важной, в частности и для прикладных задач космической погоды, является проблема ускорения релятивистских электронов, большие потоки которых, появляясь во время магнитных бурь, наносят ущерб электронике космических аппаратов.

Ускорение электронов можно объяснить во-первых, резонансным взаимодействием с ОНЧ-из-лучениями [Summers et al., 1998, 2002; Home et al., 2007; Thome et al., 2007] и циклотронным ускорением при попадании частицы в область с более высокой напряженностью магнитного поля, что обычно происходит при радиальном переносе частиц к Земле. Способов переноса несколько, отличающихся как скоростью переноса, так и механизмами, его вызывающим.

Медленная радиальная диффузия, ответственная за формирование структуры радиационных поясов, была исследована еще в начале космической эры [Тверской, 1968; Редерер, 1972; Lyons and Thome, 1973]; она происходит в спокойное время под действием импульсов давления солнечного ветра. Во время магнитных бурь неоднократно регистрировался перенос электронов с повышенной скоростью, с характерным временем от десятка часов до нескольких дней (см. обзор [Кузнецов и Тверская, 2007]). В качестве механизма этой диффузии с умеренной скоростью называется резонанс на частотах магнитного дрейфа с пульсациями магнитного поля типа Рс5 [Lanzerotti et al., 1970; Elkington et al., 1999, 2003; Loto'aniu et al., 2006], частота появления и амплитуда которых резко возрастает во время магнитных возмущений.

Третий, самый быстрый тип переноса — это сдвиг, инжекция, единичным импульсом. Классическим примером быстрой инжекции является эффект заброса протонов и электронов во внутреннюю магнитосферу импульсом SC в начале магнитной бури 24 марта 1991 г., зарегистрированный спутником CRRES [Li et al., 1993; Павлов и др., 1993]. Инжекция SC может наблюдаться и во внешних дрейфовых оболочках, в авроральной

магнитосфере, приводить к ускорению и сбросу в ионосферу энергичных электронов, вызывая полярные сияния и процессы в ионосфере внешне похожие на суббурю [Лазутин и Кузнецов, 2008].

Наконец широко известный процесс инжек-ции наблюдается в начале суббури, во время активизации, когда при диполизации магнитного поля генерируется импульс индукционного электрического поля, который ускоряет авроральные электроны и протоны, забрасывая их на более близкие к Земле оболочки [Pellinen and Heikkila, 1978; см.также обзор Лазутин, 2007 и цитируемую там литературу]. При этом растет не только поперечная энергия частиц из-за сохранения магнитного момента, но и продольная энергия, связанная с сохранением второго адиабатического инварианта.

Поскольку суббуревая активность во время магнитных бурь велика, можно полагать, что ин-жекция энергичных электронов происходит и во время магнитных бурь, но вот будет ли она ограничена внешними дрейфовыми оболочками или возможна и на внутренних оболочках, пополняя радиационный пояс? В том, что продолжительная суббуревая активность на фазе восстановления магнитной бури приводит к ускорению электронов внешнего пояса хорошо известно [Obara et al., 2000; O'Brien et al., 2003; Meredith et al., 2002; Lyons et al., 2005].

Примеры быстрой инжекции электронов во время бури приводились в ряде работ, в частности [Baker et al., 2004; Vassiliadis et al., 2005; Nagai etal., 2006]. Home and Thome [2003] полагали, что ускорение электронов с энергией 100—300 кэВ при взаимодействии с ОНЧ хорами может занимать всего несколько часов, и, следовательно, объяснить быстрые возрастания и заполнение провала во время главной фазы бури. Большинство других публикаций оценивают характерное время ускорения ОНЧ-волнами на порядок выше. В работе [Nagai et al., 2006] приводятся два случая быстрого возрастания электронов в области провала между поясами и высказывается предположение, что ускорение может быть вызвано диполизацией магнитного поля во время суббури, однако анализа суббурь в этой работе не было сделано.

Таким образом, хотя эффект быстрой инжек-ции электронов во внутренней магнитосфере во время магнитных бурь был обнаружен ранее, но его характеристики, связь с динамикой магнитосферы во время бурь исследована слабо а связь с суббуревой активностью не исследовалась вовсе.

Структура суббури, последовательность фаз, проявления в полярных сияниях, ионосфере, магнитосфере Земли исследованы давно и достаточно подробно, достаточно упомянуть монографии [ Akasofu, 1968; Пудовкин и др., 1996; Лазу-

тин, 1979; Rostoker et al.. 1980]. Как известно, активная фаза суббури, и ее начальная стадия, полярная экспансия, надежно определяются по таким признакам, как вспышка (брейкап) полярных сияний, пульсации Pi2, импульсные возрастания потоков энергичных электронов в авро-ральной магнитосфере. Самым доступным для для исследователей является регистрация бухто-образного возмущения магнитометрами ночного сектора авроральной зоны. Фронт нарастания магнитной бухты соответствует полярной экспансии активной фазы суббури, состоящей из цепочки активизаций. Чем круче передний фронт бухты, тем ближе к эпицентру активизации находится станция. В результате, измерения на сети магнитных станций позволяют определить положение и время начала активной фазы суббури.

В данной работе по данным спутника SERVIS-1 выделены нескольких быстрых (не более 1.5 часа) возрастаний энергичных электронов во внутренней магнитосфере во время магнитных бурь и проведен анализ связи с суббуревой активностью по измерениям на сети магнитометров. Особенности динамики частиц на внешних оболочках (L = 5), дропауты на вечернем секторе, возрастания на утреннем и др. рассмотрены в отдельной работе [Lazutin, 2012].

2. ИЗМЕРЕНИЯ

В работе использованы измерения энергичных электронов в каналах 0.3—1.7 и 1.7—3.4 МэВ спектрометра LPD, установленного на низковысотном японском спутнике с полярной орбитой SERVIS-1 (Space Environment Reliability Verification Integrated System), высотой 1000 км, запущенном с полигона Плесецк 30.10. 2003 г.; и стабилизированном по Солнцу в плоскости утро-вечер. Данные спектрометра были предоставлены в наше распоряжение профессором Н. Хасебе из университета Васеда, Япония.

Положение спутника в настоящей работе дается в L-координатах МакИлвайна, рассчитанных для невозмущенной магнитосферы по модели IGRF. Во время магнитных бурь они не обязательно соответствует дрейфовым орбитам частиц, это лишь аналог исправленной геомагнитной широты (55, 58, 60 и 64 градуса для L = 3, 3.5, 4 и 5). Для идентификации фаз суббури использовались магнитограммы обсерваторий, перечисленных в таблице.

Сравнение измерений частиц с суббуревой активностью не всегда возможно с достаточной точностью, потому что временные интервалы между измерениями на низковысотном спутнике того же порядка, что и продолжительность суббури, к тому же не всегда можно найти магнитную обсер-

Координаты магнитных обсерваторий

Код Имя GG шир. град. GM шир. град. GG долг. град. GM долг. град.

Ny А^ипё 78.9 75.2 11.9 112.1

HRN Ногшипё 77.0 74.0 15.6 110.8

ЯОЯ Зогоуа 70.5 67.3 22.2 106.2

КЕУ Кеуо 69.8 66.3 27.0 109.2

Т1Х Т1х1е 71.6 65.6 128.8 196.9

CHD СЬокигёакЬ 70.6 64.7 147.9 212.1

РЕЬ Ре11о 66.9 63.6 24.1 104.9

ваторию в подходящем долготном секторе. Тем не менее, в большинстве рассмотренных случаев было найдено превосходное совпадение скачков роста потока частиц с суббуревыми активизациями.

2.1. Магнитная буря 11.02.2004г.

Главная фаза магнитной бури силой в —120 нТл началась в 10 иТ 11 февраля 2004 года и закончилась в 16 иТ что иллюстрирует верхний блок рис. 1. Буря сопровождалась суббуревой активностью, в нижнем блоке того же рисунка приведена запись ^-компоненты вариации магнитного поля на станции Чокурдах, которая в этот период находилась в полуночно-утреннем секторе. Быстрый рост магнитной бухты является надежным индикатором суббуревой активизации. Установлено, что в эти минуты в авроральной магнитосфере происходит диполизация магнитного поля, генерирующая импульс индукционного электрического поля и в результате ускоряются аврораль-ные электроны с энергией 20—80 кэВ, иногда и до 200—300 кэВ [Лазутин, 1979]. Механизм ускорения — импульсный радиальный заброс частиц к Земле. На магнитограмме зарегистрирова

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