КОСМИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ, 2007, том 45, № 1, с. 20-30
УДК 891.53.21.31
КРАТКОВРЕМЕННЫЕ ВОЗРАСТАНИЯ ПОТОКОВ ЭЛЕКТРОНОВ С ЭНЕРГИЯМИ >80 КЭВ В НИЗКОШИРОТНЫХ (Ь < 2) ОБЛАСТЯХ ОКОЛОЗЕМНОГО ПРОСТРАНСТВА
© 2007 г. М. И. Кудрявцев2, Ю. И. Логачев 1, О. В. Морозов 1, С. И. Свертилов1
1 Научно-исследовательский институт ядерной физики им. Д.В. Скобельцына МГУ 2 Институт космических исследований РАН, г. Москва Поступила в редакцию 21.10. 2004 г.
В работе представлены характеристики кратковременных (длительностью менее 1 мин) возрастаний интенсивности счета электронов с энергиями >0.08 МэВ, наблюдавшихся в низкоширотных (Ь < 2.0) областях околоземного пространства в ходе эксперимента ГРИФ на модуле Спектр космической станции Мир. Измерения проводились с помощью комплекса аппаратуры, включавшей рентгеновский и гамма-спектрометры, а также детекторы электронов, протонов и ядер с большим и малым геометрическими факторами, что позволило регистрировать потоки заряженных частиц как в области радиационных поясов Земли, так и в областях, близких к геомагнитному экватору. В результате более чем 1.5 лет наблюдений было показано, что кратковременные возрастания интенсивности счета электронов субрелятивистских энергий регистрируются не только в областях околоземного пространства, известных как "зоны высыпаний" (1.7 < Ь < 2.5), но и в низкоширотных областях, вплоть до геомагнитного экватора (Ь < 1.1). Были выделены два типа возрастаний темпа счета электронов - пики интенсивности, более или менее регулярные, повторяющиеся на последовательных витках орбиты и локальные по времени. Последний тип возрастаний может быть обусловлен кратковременными возрастаниями потоков электронов на данной дрейфовой оболочке. Результаты измерений показали, что длительность регистрируемых возрастаний интенсивности может быть довольно короткой - вплоть до 20-30 с. Поэтому в случае большой амплитуды такие возрастания интенсивности счета электронов могут имитировать в детекторах жесткого рентгеновского и гамма-излучения астрофизические события типа космических гамма-всплесков.
PACS: 94.20.Vv
1. ВВЕДЕНИЕ
Вариации темпа счета энергичных заряженных частиц, например, электронов, наблюдающиеся в ходе измерений на космических аппаратах могут быть обусловлены временными эффектами, связанными с различными возмущениями геомагнитного поля, вызывающими сход захваченных и квазизахваченных частиц с траекторий, соответствующих стационарному полю, а также отражать пространственную структуру потоков. В частности, возрастания интенсивности, регистрируемые, на орбитальных космических аппаратах, как правило, связаны с пересечением спутником областей пространства с повышенной концентрацией частиц.
Следует отметить, что вариации интенсивности счета электронов с энергиями в десятки - сотни кэВ наблюдаются в основном в областях внешней магнитосферы и внешнего радиационного пояса, а на малых высотах - в высокоширотных районах вблизи зоны полярных сияний. В то же время потоки электронов во внутреннем поясе (Ь < < 2.5) на небольших высотах довольно стабильны [1]. Это объясняется тем, что в магнитоспокойные эпохи геомагнитное поле во внутренней магнито-
сфере можно с хорошей степенью точности считать дипольным, а движение некоторые типов захваченных частиц, в частности электронов, -адиабатическим. Такие частицы будут совершать движения, обусловленные сохранением адиабатических инвариантов, и в стационарном случае область устойчивого захвата будет заполнена частицами, находящимися на дрейфовых оболочках, характеризуемых определенным диапазоном значений параметра Ь [2]. К области устойчивого захвата примыкают зоны, так называемого, квазизахвата, в которых частицы могут стационарно находится на замкнутых дрейфовых оболочках относительно непродолжительное время. В областях, близких к внешней магнитосфере (Ь > 5), квазизахват обусловлен попаданием электронов на траектории вдоль незамкнутых силовых линий [3]. Во внутренней магнитосфере (Ь < 1.5) по аналогии можно рассматривать квазизахваченными те частицы, которые по окончании дрейфового оборота попадают в область Южно-Атлатиче-ской магнитной аномалии и там существенно меняют характер движения. По видимому, именно в области Южно-Атлантической аномалии наиболее эффективно реализуются механизмы перено-
са частиц из радиационного пояса во внутреннюю область квазизахвата.
Несмотря на относительно высокую стабильность потоки электронов во внутренней магнитосфере могут испытывать вариации. В частности, в узком диапазоне значений Ь (шириной порядка несколько десятых) иногда наблюдается резкое возрастание интенсивности [4]. Такие вариации, как правило, могут быть связаны с сильными геомагнитными возмущениями и "высыпаниями" из радиационных поясов. Наиболее часто такие явления наблюдаются на широтах более 50° [5-7].
В плане экспериментального исследования потоков электронов во внутренней области квазизахвата следует отметить обнаружение в эксперименте на спутнике OHZORA в диапазоне высот 350-800 км низкоширотных зон регистрации повышенного счета электронов с энергиями Ее = = 0.19-3.2 МэВ. Эти зоны соответствуют Ь = 1.71 ± ± 0.16, наблюдающиеся в них потоки электронов интерпретируются авторами эксперимента OHZORA как высыпания из внутреннего радиационного пояса [8]. Узкие возрастания, обусловленные высыпающимися электронами с энергиями 35-318 кэВ наблюдались в эксперименте на спутнике ОУ1-14 в диапазоне значений Ь = 1.5-2.0 [9]. В энергетическом спектре (0.13-2.8 МэВ) квази-захваченных электронов, высыпающихся из внутреннего радиационного пояса в области Ь = = 1.65, были обнаружены пики, соответствующие регистрации моноэнергетических частиц [10]. Кроме того, на высотах порядка 600 км в энергетическом спектре (68-1120 кэВ) электронов, высыпающихся из внутреннего радиационного пояса в конус потерь (Ь = 1.5-1.85), были также зарегистрированы узкие пики, соответствующие значениям энергии, которые уменьшались с увеличением Ь [11]. Впоследствии была обнаружена неплохая корреляция между интенсивными высыпаниями на малых Ь и величиной потоков захваченных частиц, регистрируемых на геостационарной орбите (то есть во внешнем электронном поясе) [12].
В ходе измерений на спутнике SAMPEX регистрировались резкие возрастания интенсивности релятивистских электронов (0.4-3.5 МэВ) в областях пространства, относящихся к внешнему радиационному поясу (2.5 < Ь < 5) [13]. Эти возрастания интерпретируются авторами эксперимента как результат ускорения электронов во внешней магнитосфере вследствие воздействия на нее скоростных потоков солнечного ветра. В некоторых случаях возрастания потоков электронов прослеживались вплоть до Ь ~ 2 (так называемый зазор между внутренним и внешним поясом), что согласно [13] свидетельствует о глобальном характере ускорительных процессов в магнитосфере.
Однако к настоящему времени нет достаточно полной информации о динамике и пространствен-
ной структуре потоков электронов субрелятивистских энергий в низкоширотных областях (L < 1.5) под радиационными поясами (высота менее 500 км). Согласно теории движения заряженных частиц в геомагнитной ловушке на высотах менее 400-500 км в низкоширотных областях, кроме районов, примыкающих к Южно-Атлантической аномалии, не должны наблюдаться стабильные потоки заряженных частиц [см., например 1, 3, 14]. В то же время известно, что на дрейфовых оболочках с малыми значениями L наблюдались долговременные устойчивые потоки электронов, образованные в результате высотных ядерных взрывов, осуществленных в США и СССР в конце 50-х - начале 60-х годов [14]. Так, в результате высотного ядерного взрыва Starfish (9.VII.1962 г.) наблюдались значительные потоки электронов с энергиями ~5 МэВ в области с L = 1.2-1.6 и вблизи L = 1.8 [15, 16]. При этом, по данным эксперимента на спутнике In-guine-1 значимые потоки электронов наблюдались в областях 1.175 < L < 1.195, 0.19 Гс < B < 0.22 Гс и L = 1.25, 0.18 Гс < B < 0.22 Гс в ноябре 1962 г., то есть спустя 4 месяца после момента инжекции [17], хотя предсказываемое теорией характерное время жизни квазизахваченных релятивистских электронов в таких областях не должно существенно превосходить их дрейфовый период, составляющий порядка десятков минут [3]. Возрастания интенсивности счета электронов с энергиями 92-120 кэВ регистрировались на L = 1.14 в ходе измерений на спутнике Oreol-3 [18]. В приэкваториальных областях также измерялись потоки ультрарелятивистских электронов (Ee = 50-200 МэВ), в 40 раз (L = 1.1-1.3) и 3 раза (L = 1.0-1.1) превышавшие уровень, характерный для электронов альбедо [19]. Наконец, в ходе эксперимента с прибором "Спрут-5" на орбитальной станции Мир в районе геомагнитного экватора наблюдались значимые потоки электронов с энергиями в диапазоне 0.075-1.2 МэВ [20].
Изучение характеристик потоков электронов с энергиями в десятки - сотни кэВ на низких высотах и широтах имеет значение не только для понимания динамики радиационных поясов и механизмов высыпаний электронов. Новые данные о потоках электронов в околоземном пространстве важны и для решения ряда прикладных задач, в частности, контроля радиационного фона во время космических миссий. В этом плане особо следует отметить важность информации о вариациях интенсивности счета сопутствующих заряженных частиц при рентгено и гамма-астрономических наблюдениях на околоземных космических аппаратах. Как известно, кратковременные высыпания электронов могут имитировать (через генерацию тормозного излучения) некоторые астрофизические явления, например, космические гамма-всплески, поэтому идентификация подобных имитаций гамма-всплесков непосредственно в хо-
де наблюдений или на этапе первичной обработки данных важна как для очистки информации от ложных событий, так и в плане расширения по Ь зоны поиска истинных гамма-всплесков, что позволяет улучшать их статистику в ходе космических экспериментов.
Ранее в результате обработки данных многоцелевого эксперимента с комплексом научной аппаратуры ГРИФ на борту орбитальной станции Мир были исследованы характеристики стационарных потоков электронов с энергиями порядка
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.