КОСМИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ, 2007, том 45, № 2, с. 99-107
УДК 550.38536
ИССЛЕДОВАНИЕ СУББУРИ 12 МАРТА 1991 г. 2. АВРОРАЛЬНЫЕ ЭЛЕКТРОНЫ. УСКОРЕНИЕ, ИНЖЕКЦИЯ
И ДИНАМИКА
© 2007 г. Л. Л. Лазутин1, Т. В. Козелова2, Н. П. Мередит3, М. Даниелидис4, Б. В. Козелов2,
Дж. Юссила4, А. Корт5
Научно-исследовательский институт ядерной физики им. Д.В. Скобельцына, МГУ
lll@srd.sinp.msu.ru 2Полярный геофизический институт КНЦ РАН, г. Апатиты 3Университетский колледж, Лондон; Британская антарктическая служба, Кембридж, Великобритания
4Университет Оулу, Финляндия 5Институт Макса-Планка, Линдау, Германия Поступила в редакцию 13.04.2005 г.
В первой части исследования суббури 12.III.1991 г. была рассмотрена пространственно-временная структура суббуревого возмущения и динамика авроральных ионов. Во второй части проводится анализ измерений авроральных электронов на спутнике СККЕБ. Показано, что возрастания потока электронов (инжекции) во время крупномасштабной и локальной диполизаций магнитного поля определяются сочетанием продольного, индукционного и бетатронного механизмов ускорения с эффектом смещения дрейфовых оболочек частиц. Определен относительный вклад этих механизмов в зависимости от энергии авроральных электронов.
PACS: 94.30.Lr; 94.30.Aa; 94.20. Ac
1. ВВЕДЕНИЕ
Исследованию спектральных и пространственно-временных характеристик авроральных электронов во время суббури посвящены многочисленные исследования (см. например, [1] и цитируемую там литературу).
Электронная популяция в магнитосфере разнообразна и по энергетическим характеристикам, и по областям обитания, и по происхождению. К ав-роральным электронам относятся популяции хвоста магнитосферы и области квазизахвата, имеющие отношение в узком значении к полярным сияниям, и в широком - к суббуревым возмущениям разного типа.
В зоне квазизахвата, в которой развиваются исследуемые нами процессы суббури, аврораль-ные электроны делятся на две группы - низкоэнергичные (<10 кэВ) и энергичные - от десяти до нескольких сот кэВ. Низкоэнергичные обычно именуются электронами плазменного слоя (plasma sheet electrons) и в свою очередь делятся на мягкие и жесткие, первые ассоциируются с пере-ферийным или програничным плазменным слоем (boundary plasmasheet) хвоста магнитосферы, вторые - с центральным плазменным слоем, ЦПС (central plasma sheet). ЦПС принято рассматривать как часть единого плазменного слоя хвоста, но по нашему мнению следует отделять ЦПС от хвостовой части и по расположению внутри области
квазизахвата, и по характеристикам составляющих его частиц, электронов и ионов. Электроны ЦПС присутствуют и в спокойных условиях, а во время возмущений их потоки резко усиливаются, вызывая полярные сияния. Усиление связано с ускорением в продольных электрических полях, области и механизмы ускорения локализованы, динамичны и разнообразны, как разнообразны формы полярных сияний. Энергичные аврораль-ные электроны, первоначально обнаруженные и изученные с помощью аэростатов, а затем и с помощью спутников, появляются в авроральной зоне на внешней границе электронов радиационного пояса во время возмущений, совпадая примерно (с точностью до минут), с активизацией полярных сияний и появлением продольных потоков низкоэнергичных электронов. Более точное соотношение динамики этих двух ветвей авроральных электронов пока изучено плохо.
Когда спутник, двигаясь в плоскости экватора в ночной области квазизахвата, регистрирует электроны с энергией 20-500 кэВ, нельзя отличить электрон радиационного пояса от аврорального электрона той же энергии. Но эти две популяции электронов легко разделяются и по энергетическому спектру и по пространственно - временной структуре. Поток электронов радиационного пояса монотонно спадает при удалении от максимума внешнего пояса, тогда как потоки авроральных
Bz, нТ 120 100 80
^ 104
102 104
21-36.7 кэВ 40-59 кэВ
20.00
20.20
20.40
21.00 UT
Рис. 1. Вертикальные пунктирные линии отмечают начало подготовительной и активной фазы, диполи-зации магнитного поля и локальной активизации на меридиане СЯКЕ8ъ.
электронов на этом фоне испытывают быстрые вариации, резко возрастают и исчезают, высыпаясь в атмосферу, или размазываясь в процессе магнитного дрейфа и смешиваются с частицами радиационного пояса. Таким образом авроральные электроны - это транзиентная субстанция, существующая лишь в свежеускоренном виде.
Ускорение энергичных электронов чаще всего объясняется инжекцией - переносом частиц ради-ально к Земле из хвоста в область более сильного магнитного поля и, соответственно, с бетатрон-ным ускорением. Равным по популярности является механизм ускорения индукционным полем. Кроме того, предлагались различные идеи ускорения в переменных полях, например, на гребне движущейся к Земле ударной волны.
Можно полагать, что основные механизмы ускорения авроральных частиц хорошо обозначены теоретически, однако нельзя сказать, что они успешно соотнесены с экспериментом. Суббуревая активность столь многообразна, что для подтверждения любой концепции можно подобрать наблюдательный материал. При этом всегда допускаются упрощающие предположения и оста-
ются, отодвигаются в сторону, как второстепенные, факты, не вписывающиеся в рассматриваемую модель.
В настоящей работе представлен анализ крупномасштабной динамики авроральных электронов во время суббури, в котором наглядно и однозначно стыкуются результаты измерений с физическими представлениями о происходящих процессах, по крайней мере для энергичной компоненты. Кроме того, мы представляем некоторые выводы о связи динамики энергичных и низкоэнергичных электронов во время суббуревых активизаций.
2. ИЗМЕРЕНИЯ
В первой части работы [2] было показано, что подготовительная фаза суббури 12.111.1991 г. началась около 20.15 или несколько раньше, в 19.50, начало активной фазы - 20.26 и крупномасштабная экспансия к полюсу - 20.30. (Здесь и далее время UT). Положение проекции спутника CRRES на границу атмосферы было показано на рис. 2, усредненные за 30 с измерения энергичных частиц и магнитного поля, приведены на рис. 8 первой части работы. Там же в табл. 2 даны диапазоны энергий каналов датчика энергичных частиц и другая информация об измерительной аппаратуре спутника.
Характер временных вариаций регистрируемых детекторами энергичных электронов, показанный на указанном рисунке, типичен для измерений на геостационарных спутниках во время суббури в долготном секторе, охваченном возмущением. Регистрируется спад потока частиц на подготовительной фазе из-за радиального смещения дрейфовых оболочек "старых", захваченных электронов, потоки которых имеют градиент к Земле. Этот спад сменяется быстрым ростом во время диполизации магнитного поля. На фоне крупномасштабных вариаций регистрируются кратковременные всплески потока электронов, наиболее резкие в момент, когда спутник оказывается на силовых линиях области локальной активизации. В нашем случае такая локальная активизация на долготе спутника наблюдалась в 20.47.
Сводный график временных вариаций электронов, измеренных спектрометром LEPA на борту спутника CRRES, приведен на рис. 1. Сплошной линией дан поток захваченных электронов, пунктиром - продольные потоки. В нижней секции приведены данные двух каналов детектора энергичных частиц EPAS. Цифрами обозначены четыре временных интервала суббури, анализ которой приведен в предыдущей работе. Нулевой интервал - последние минуты до брейкапа, первый и второй - до начала и во время глобальной диполизации, третий - интервал сдвига WTS к западу и локальной активизации на меридиане спутника CRRES. В за-
висимости от энергии, популяции электронов ведут себя по-разному - в диапазоне от 100 эВ до нескольких кэВ поток подрастает на этапе 0, мало меняется на 1 м и спадает во время диполизации. Этот спад, очевидно, связан с общим ростом температуры электронов, с появлением возмущенных потоков авроральных электронов ЦПС, составляющий вторую популяцию до энергии порядка 20 кэВ. Здесь мы наблюдаем большие вариации интенсивности с результирующим ростом к началу диполизации на 1-2 порядка. И, наконец, третья популяция, свыше 20 кэВ, представляет собой классическую картину инжекции - рост с началом диполизации магнитного поля и резкий всплеск во время локальной диполизации.
Отличается и питч-угловое распределение электронов в разных энергетических группах. В области низких и средних энергий устойчивое захваченное распределение на первых двух этапах сменяется изотропным с наложением всплесков продольных потоков электронов с энергией ниже 5 кэВ.
Рассмотрим сначала подробнее поведение второй и третьей популяции, т.е. электронов ЦПС и энергичных авроральных электронов во время диполизации магнитного поля или крупномасштабной экспансии суббури.
2.1. Диполизации. На рис. 2 приведены измерения магнитного поля и нескольких каналов энергичных электронов; тонкими прямыми линиями выделено несколько трендов роста магнитного поля и потоков электронов. Первый тренд отражает рост потока электронов во время диполизации, второй - локальную активизацию и два протяженных тренда - рост частиц и поля за весь активный период. Первичным, лидирующим в этой тесной связи является магнитное поле, так как в отличие от ионов, электроны замагничены, сравнительная плотность энергии электронов невелика.
На рис. 3 показана последовательность энергетических спектров электронов, измеренных детектором EPAS; первый спектр отражает спектр захваченных электронов радиационного пояса, энергичных авроральных электронов здесь еще нет. В последующие моменты, указанные на вставке, появляются свежеускоренные электроны, суммарный спектр последовательно смягчается. Откуда берутся эти электроны, видно из рис. 4, представляющего аналогичный график для мягких электронов, измеренных детектором LEPA. Здесь также первая кривая демонстрирует начальный спектр характерный для электронов центрального плазменного слоя. [3]. Максимум наблюдается около 0.4 кэВ со степенным характером спада (N = E~k), где к ~ 1 в диапазоне 1-7 кэВ и к ~ 9 от 7 до 15 кэВ. В области более высоких энергий наблюдается переход к пол
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.