КОСМИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ, 2014, том 52, № 1, с. 27-38
УДК 523.9
НАБЛЮДЕНИЕ БЫСТРЫХ ВАРИАЦИЙ СОДЕРЖАНИЯ ИОНОВ ГЕЛИЯ
В СОЛНЕЧНОМ ВЕТРЕ
© 2014 г. Г. Н. Застенкер1, И. В. Колоскова1, М. О. Рязанцева12, А. С. Юрасов12, Я. Шафранкова3, З. Немечек3, Л. Прех3, П. Цагаш3
Институт космических исследований РАН, г. Москва 2Научно-исследовательский институт ядерной физики им. Д.В. Скобельцина МГУ им. М.В. Ломоносова
3Карлов Университет г. Прага, Чешская Республика gzastenk@iki.rssi.ru Поступила в редакцию 29.05.2013 г.
В работе описываются результаты изучения гелиевой компоненты потока ионов солнечного ветра, измерявшегося прибором БМСВ на спутнике Спектр-Р с временным разрешением в 3 с. В отличие от большинства прежних работ, представлявших величины, усредненные на больших (среднечасовых или среднесуточных) интервалах, нами показано, что относительное содержание ионов гелия в солнечном ветре испытывает значительные (на несколько процентов и даже на десяток процентов) вариации на столь малых интервалах как десяток секунд и даже несколько секунд.
БО1: 10.7868/80023420614010105
1. ВВЕДЕНИЕ
Изучение свойств "гелиевой компоненты" солнечного ветра (СВ), т.е. примеси к протонам дважды ионизованных ионов гелия (альфа-частиц) — было начато одновременно с началом систематических измерений солнечного ветра еще в пионерских экспериментах [1, 2]. Надо сразу же оговориться, что, как показали последующие масс-спектрометрические измерения, доля однократно ионизованных ионов гелия в СВ не превышает тысячных долей от содержания дважды ионизованных ионов, так что все последующее рассмотрение относится именно к двукратно ионизованным ионам гелия.
Интерес к этой теме очевидным образом связан с тем, что именно сравнение параметров протонной и гелиевой компонент солнечного ветра помогает прояснить свойства верхней короны Солнца и механизм формирования в ней солнечного ветра. В этой части важнейшим вопросом является определение относительного содержания и переносной скорости гелия по отношению к основной (протонной) компоненте. По этой проблеме было сделано довольно много работ (см., например, [3, 4, 5, 6]), которые показали, в частности, что усредненное на больших временных интервалах содержание гелия в СВ по числу ионов составляет, в среднем, примерно 1—5% возрастая до примерно 20% в событиях, связанных с корональными выбросами массы.
Малые величины относительного содержания гелия, как правило, наблюдались в медленном
солнечном ветре, например, в областях корональ-ных стримеров и секторных границ [7, 8].
В последнее десятилетие были проведены детальные обработки систематических измерений параметров солнечного ветра на аппаратах WIND и ACE, которые показали, что усредненное на больших интервалах (порядка 250 суток) содержание ионов гелия в СВ заметно зависит от скорости солнечного ветра и от индекса солнечной активности (числа солнечных пятен) в данный период времени (см [9, 10, 11]).
Соотношения между скоростями и температурами протонов и ионов гелия были детально изучены с помощью масс-спектрометрической селекции компонент (см., например, работу [12]). Как показано в работе [12], среднее значение отношения переносных скоростей ионов гелия и протонов (Va/Vp) составляет 1.03 при ширине гистограммы распределения на уровне 0.5 (FWHM) от 0.97 до 1.12. Это отношение спадает, в среднем, до 0.98 при увеличении потока протонов солнечного ветра в диапазоне 3—7 • 108 см-2 с-1.
По данным той же работы [12], среднее отношение температур (Ta/Tp) составляет 3.83 при ширине гистограммы 1.5-4.5. Это отношение также несколько спадает (до 3.3) с ростом потока протонов и антикоррелирует с относительным содержанием гелия [13].
Однако все эти многочисленные наблюдения почти исключительно относятся к усредненным значениям параметров протонов и гелия - среднечасовым или даже среднесуточным. Вопрос же
I, нА 0.20
0.15
0.10
0.05
09.40.00-09.40.30 UT dl х 106, нА/В
100
30
FCq dFC0 х 106
\ He++ _
Л f%Jffl ПВЙГ VT i i ГТ1 . i ..... -
10
500
__i-1-1
1000 1500 2000 HV0, B
Рис. 1. Пример измерения интегрального (РСд = I) и дифференциального = dI) спектров потока
ионов в солнечном ветре для события 14.IX.2011.
о динамике гелиевои компоненты солнечного ветра в минутном и секундном диапазонах времени остался недостаточно освещенным в литературе. Прежде всего, это связано с низким временным разрешением прежних измерении параметров потока ионов гелия в солнечном ветре. Так в измерениях на спутниках Прогноз (см. [12]) это разрешение составляло 11 минут, в эксперименте на аппаратах HELIOS оно составляло 40.5 с [13], для ныне действующего аппарата ACE оно составляет 64 с [14].
Только в работе [15] было приведено для одного короткого события сравнение динамики энергетических спектров протонов и ионов гелия с временным разрешением 1.4 с, но кроме одного наблюдения дальше ничего в работе [15] не было сделано.
В представляемой работе, в отличие от предыдущих, было впервые проведено сравнительное изучение поведения потоков протонов и ионов гелия в солнечном ветре для временного диапазона от нескольких сот секунд и до нескольких секунд.
2. МЕТОДИКА ИЗМЕРЕНИЙ
Данная статья описывает некоторые результаты эксперимента по изучению солнечного ветра с высоким временным разрешением, выполненного с помощью прибора БМСВ на спутнике Спектр-Р, в котором удалось выделить гелиевую компоненту потока ионов.
Спутник Спектр-Р [16] был запущен 18.VII.2011 на уникальную высокоапогейную орбиту с апогеем около 360 тыс. км, перигеем от нескольких сот км до нескольких десятков тыс. км и периодом обращения в 8.5 суток. Эта орбита весьма удобна для проведения систематических длительных измерений в солнечном ветре и в магни-тослое.
Эксперимент "Плазма-Ф" на спутнике Спектр-Р [17] имеет в своем составе плазменный спектрометр БМСВ, задачами которого являются:
— перманентное мониторирование свойств плазмы солнечного ветра и плазмы магнитослоя;
— изучение вариаций солнечного ветра с очень высоким (рекордным) временным разрешением.
Спектрометр БМСВ (быстрый монитор солнечного ветра) детально описан в работах [18, 19] и здесь мы не будем останавливаться на его устройстве. Отметим только, что в состав прибора входили три датчика — цилиндра Фарадея [20], с помощью которых можно было, изменяя потенциалы селектирующих сеток, выбирать знак заряда и величину энергии регистрируемых частиц и, тем самым, селектировать их по величине энергии на единицу заряда. Энергетическое распределение потока ионов солнечного ветра определялось путем подачи на селектирующие сетки положительного относительно корпуса напряжения, запирающего ионы с энергией на заряд, меньшей приложенного напряжения. Из полученного энергетического распределения ионов солнечного ветра, в свою очередь, вычисляются основные параметры потока ионов — переносная скорость, изотропная ионная температура и плотность.
В режиме свипирования прибора БМСВ запирающее напряжение изменяется пилообразно с периодом 6 с, что позволяет при опросе токов и напряжений 32 раза в 1 с получить за 3 с энергетический спектр ионов с энергетическим разрешением в 1%.
Представленный на рис. 1 пример интегрального энергетического спектра, измеренного в солнечном ветре, наглядно показывает двухком-понентный характер потока ионов — четко видны довольно плоский уровень тока частиц с энергией больше потенциала запирающей сетки (в пределах 0—600 В), затем быстрый спад тока (в диапазоне 600—900 В), соответствующий запиранию протонов, затем снова почти плоский уровень тока (в диапазоне 1100—1400 В), соответствующий регистрации популяции ионов с большей энергией, и довольно быстрый спад тока при запирании этих ионов (около 1500—1600 В). Прямое сопоставление величин энергии на заряд для протонов и этих более энергичных ионов показывает, что они отличаются почти ровно в два раза. Это позволяет нам утверждать, что эти ионы являются ничем иным как дважды ионизованными ионами гелия,
3
0
движущимися почти с той же переносной скоростью, что и протоны.
Из интегрального энергетического спектра численным дифференцированием получается дифференциальный спектр (см. рис. 1), имеющий два максимума, которые очевидно соответствуют потокам протонов и дважды ионизованных ионов гелия. Анализ этих спектров, дающих надежное разделение ионных компонент, позволяет определить относительное (по отношению к протонам) содержание и относительную (в том же смысле) скорость ионов гелия.
Следует оговориться, что в приборе БМСВ выделение ионов гелия из потока СВ возможно только при определенных условиях — при величине переносной скорости не более 550 км/с (чтобы энергия на заряд ионов гелия не вышла из диапазона запирающего напряжения в датчике 0.1—3.7 кВ) и при величине температуры протонов не более примерно 15 эВ (чтобы широкое распределение по энергии протонов, как бывает, например, в магнитослое, не заслонило спектры ионов гелия).
Точность определения относительного содержания гелия определяется точностью измерения коллекторных токов датчиков (около 3 • 10-4 нА, т.е. около 10-3 от обычной величины коллекторных токов в СВ), величиной шума их усилителей (не более 10-3 от величины коллекторного тока) (см. [18, 19]) и, прежде всего, точностью оценки величины фототоков в датчиках — около 101—10—3 от широкого диапазона реально встречающихся величин ионных токов в СВ (см. [20]). Суммарно мы получаем оценку точности определения относительного содержания ионов гелия, в среднем, примерно в пределах +/—0.2%—2%.
Точность наших измерений относительной скорости гелия определяется точностью измерения величины запирающего напряжения (около 1 В, т.е. 10-3 от обычной величины этого напряжения (см. [18, 19])) и, главным образом, точностью определения точки запирания на соответствующей характеристике (см. [18, 19]). Суммарно мы получаем оценку точности относительной скорости ионов гелия равной примерно +/—(0.02—0.03) при отдельных выбросах до 0.05.
3. ПРИМЕРЫ СЕЛЕКЦИИ ПОТОКОВ ПРОТОНОВ И ИОНОВ ГЕЛИЯ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ ИХ ПАРАМЕТРОВ
Пример выделения потоков протонов и ионов гелия в потоке ионов СВ на
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.