ИЗВЕСТИЯ РАН. СЕРИЯ ФИЗИЧЕСКАЯ, 2009, том 73, № 3, с. 379-381
УДК 523.14
НАБЛЮДЕНИЕ СОЛНЕЧНО-МАГНИТОСФЕРНЫХ И ГЕОФИЗИЧЕСКИХ ЭФФЕКТОВ В ПОТОКАХ ЭЛЕКТРОНОВ И ПРОТОНОВ В СПУТНИКОВОМ ЭКСПЕРИМЕНТЕ АРИНА
© 2009 г. С. Ю. Александрии, А. В. Бакалдин, А. Г. Батищев, М. А. Бжеумихова, С. А. Воронов, А. М. Гальпер, Л. А. Гришанцева, С. В. Колдашов, П. Ю. Наумов, В. Ю. Чесноков, Н. Д. Шаронова, В. А. Шилов
Московский инженерно-физический институт (государственный университет)
E-mail: koldashov@mephi.ru
Приведены результаты по наблюдению всплесков и вариаций потоков высокоэнергичных заряженных частиц в околоземном космическом пространстве в эксперименте АРИНА, проводимом с 2006 г. на космическом аппарате Ресурс-ДК № 1.
ВВЕДЕНИЕ
Всплески и вариации потоков высокоэнергичных заряженных частиц в околоземном космическом пространстве (ОКП) вызываются различными солнечно-магнитосферными и геофизическими процессами, включая катастрофические (например, землетрясения). В последние годы широко обсуждается возможность использования космических средств для прогнозирования землетрясений. В частности, предполагается регистрировать различные предвестники землетрясений в ОКП, такие как изменение состава и концентрации ионосферной плазмы, вариации потоков высокоэнергичных заряженных частиц, генерация электромагнитного излучения в широком диапазоне частот, вариации квази-
Долгота
Рис. 1. События 13 ноября 2006 г. (показаны звездочками): всплеск частиц (4 ч 20 мин) и землетрясение М = = 5.0 (6 ч 30 мин). Черные штриховые линии - изолинии Ь = 2.2; пояснение о черных сплошных участках на этих линиях дано в тексте.
постоянных электрических и магнитных полей и другие.
В эксперименте АРИНА изучается сейсмомаг-нитосферное явление - всплески высокоэнергичных заряженных частиц, появляющиеся в ОКП за несколько часов до землетрясений. Впервые это сейсмомагнитосферное явление было обнаружено в 1985 г. в эксперименте МАРИЯ, поставленном МИФИ на орбитальной станции САЛЮТ-7 [1]. В дальнейшем были выполнены обширные экспериментальные (по данным спутниковых измерений: МАРИЯ-2, ГАММА-1, НИНА, НИНА-2, ЭЛЕКТРОН, РЕТ/БАМРЕХ и др.) и теоретические исследования и определены физические процессы (основанные на локальных возмущениях радиационного пояса), лежащие в основе взаимосвязи между всплесками частиц и сейсмичностью Земли (см. [2-6] и ссылки в них). Сегодня актуально изучение прогностических характеристик космических предвестников землетрясений. Запуском летом 2006 г. космического аппарата Ресурс-ДК № 1, на котором поставлен эксперимент АРИНА, сделан новый шаг в этом направлении [7].
УСЛОВИЯ ПРОВЕДЕНИЯ ЭКСПЕРИМЕНТА И НАУЧНАЯ АППАРАТУРА
Эксперимент АРИНА осуществляется на низкоорбитальном космическом аппарате Ресурс-ДК № 1 со следующими параметрами орбиты: высота в пределах 350-600 км и наклонение 70°. Спектрометр АРИНА установлен в гермоконтейнере космического аппарата.
Толщина слоя вещества в поле зрения спектрометра около 0.5 г ■ см-2. Основной ориентацией спутника является такая, при которой ось спектрометра АРИНА перпендикулярна плоскости орбиты космического аппарата и реализуются оптималь-
379
6*
380
АЛЕКСАНДРИИ и др.
Темп счета
15 г
10
3 МэВ
15
10
2 6 10 14 18 22 26 30
5 МэВ
15
10
2 6 10 14 18 22 26 30
15 МэВ
10 14 18 22
26 30 День
Рис. 2. Темпы счета электронов в различных энергетических каналах, зарегистрированные прибором АРИНА в декабре 2006 г. на Ь > 8.
ные условия для регистрации под радиационным поясом высыпающихся частиц. Продолжительность эксперимента, как и срок функционирования космического аппарата на орбите, будет составлять не менее трех лет. Измерения потоков частиц проводятся непрерывно с июля 2006 г. Скорость накопления статистики сейсмических всплесков составляет 10-15 всплесков частиц в год.
Специализированная аппаратура для регистрации всплесков высокоэнергичных электронов и протонов была разработана МИФИ [7]. Ее основа -многослойный сцинтилляционный детектор, состоящий из десяти слоев. Прибор регистрирует и идентифицирует электроны (3-30 МэВ) и протоны (30-100 МэВ), измеряет энергии частиц с погрешностью 10-15%. Светосила прибора, определяемая размерами и конфигурацией его детекторов, имеет значение порядка 10 см2 • ср, что в несколько десятков раз выше, чем светосила аппаратуры, с помощью которой были получены основные результаты по наблюдению сейсмических эффектов в потоках частиц [4].
РЕГИСТРАЦИЯ ВСПЛЕСКОВ ВЫСОКОЭНЕРГИЧНЫХ ЗАРЯЖЕННЫХ ЧАСТИЦ ГЕОФИЗИЧЕСКОЙ ПРИРОДЫ
В течение первых полутора лет непрерывных измерений потоков частиц было обнаружено несколько десятков всплесков частиц (резкие кратковременные возрастания потоков частиц с амплитудой более пяти стандартных отклонений и продолжительностью от нескольких секунд до нескольких минут).
Совместный анализ пространственных и временных распределений зарегистрированных всплесков частиц и данных по солнечным событиям, индексам глобальной геомагнитной активности, геомагнитным пульсациям, геофизическим явлениям, показал, что всплески частиц могли иметь различную природу: солнечно-магнитосферную, сейсмическую, грозовую. Была оценена доля всплесков частиц сейсмической природы (предвестников землетрясений): 15-20% среди всех зарегистрированных всплесков.
Было определено географическое распределение местоположений зарегистрированных в эксперименте АРИНА всплесков высокоэнергичных заряженных частиц. Его вид практически полностью совпадает с подобным распределением, построенным ранее по данным экспериментов МА-РИЯ-2, ГАММА-1, БАМРЕХ/РЕТ [8], что указывает на одинаковую природу всплесков частиц, регистрируемых в перечисленных экспериментах.
В настоящее время можно реализовать следующий подход к использованию всплесков частиц для дистанционной диагностики локальных магнито-сферных и геофизических возмущений, включая сейсмические. Если спектрометром на космическом аппарате зарегистрирован всплеск высокоэнергичных заряженных частиц, то можно определить местоположение (широту) локального возмущения радиационного пояса, которое должно находиться на Ь-оболочке места регистрации всплеска частиц. В случае сейсмического возмущения, возникшего в процессе подготовки землетрясе-
5
0
5
0
5
0
ИЗВЕСТИЯ РАН. СЕРИЯ ФИЗИЧЕСКАЯ том 73 № 3 2009
НАБЛЮДЕНИЕ СОЛНЕЧНО-МАГНИТОСФЕРНЫХ И ГЕОФИЗИЧЕСКИХ ЭФФЕКТОВ
381
ния, будет определена широта очага предстоящего землетрясения. Если измерения позволяют (есть разность во времени регистрации групп всплеско-вых частиц с разными энергиями), то с помощью анализа временной структуры и энергетических спектров частиц, регистрируемых во время наблюдения всплеска, можно получить дополнительные ограничения на долготу местоположения возможного источника возмущения радиационного пояса, т.е. на долготу очага предстоящего землетрясения. Рисунок 1 иллюстрирует описанный подход. Отметим, что уже предварительные данные, полученные в эксперименте АРИНА, показывают, что всплески высокоэнергичных частиц могут представлять дополнительную полезную прогностическую информацию, поскольку позволяют существенно ограничить (по широте и долготе) пространственные области, содержащие эпицентры предстоящих землетрясений. В рассматриваемом примере (рис. 1) эти зоны показаны черными сплошными линиями на изолиниях L.
РЕГИСТРАЦИЯ СОЛНЕЧНО-МАГНИТОСФЕРНЫХ СОБЫТИЙ
Наряду с основной задачей в эксперименте проводится изучение вариаций потоков электронов и протонов, приходящих из межпланетного пространства. Это возможно на высокоширотных участках орбиты. Было обнаружено несколько возрастаний потоков частиц, связанных с развитием солнечных событий. Наиболее яркие вариации интенсивности протонов и электронов были измерены в декабре 2006 г. после серии мощных солнечных событий. Примеры измерения потоков электронов прибором АРИНА в этот период приведены на рис. 2, где показаны темпы счета электронов в нескольких энергетических каналах. Дополнительный анализ различных триггерных сигналов спектрометра в этот период позволил получить указания на регистрацию повышенных потоков у-квантов (3-20 МэВ).
Сравнение полученных данных с результатами измерений потоков протонов и электронов на других космических аппаратах (GOES, POES, PAMELA и др.) в целом показывает согласующуюся картину в наблюдательных данных, при этом в экспе-
рименте АРИНА выявлены и дополнительные особенности в регистрации потоков частиц во время развития солнечно-магнитосферных событий, которые, по-видимому, связаны с различиями в орбитах космических аппаратов и в энергетических диапазонах регистрируемых частиц.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Представленные в работе экспериментальные результаты демонстрируют возможность использования всплесков высокоэнергичных заряженных частиц для мониторинга локальных магнито-сферных возмущений и геофизических событий и для определения их местоположений в пространстве по данным измерения характеристик всплесков частиц.
Данные эксперимента АРИНА по регистрации во время солнечных вспышек потоков протонов и электронов в различных энергетических каналах во внешних (L > 8) и внутренних зонах магнитосферы совместно с данными других спутниковых экспериментов будут способствовать изучению сложной картины развития солнечно-магнитосферных событий.
Работа поддержана Федеральным космическим агентством.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Voronov S.A., Galper A.M., Koldashov S.V. et al. // Proc. 20th ICRC. Moscow. 1987. V. 4. P. 451.
2. Galper A.M., Koldashov S.V., Voronov S.A. // Adv. Space Res. 1995. V. 15. P. 131.
3. Плъжр A.M., Koлдaшoв C.B., Mуpaшoв A.M. // Космич. исслед. 2000. T. 38. № 1. С. 102.
4. Aleksandrin S.Yu., Galper A.M., Koldashov S.V. et al. // Ann. Geophys. 2003. V. 21. P. 597.
5. Sgrigna V., Carota L., Conti L. et al. // J. Atmos. Solar-Terr. Phys. 2005. V. б7. P. 1448.
6. Aлeшuнa M.E., Воронов C.A., Éaлътр A.M. и др. // Космич. исслед. 1992. T. 30. № 1. С. 79.
7. Бaкaлдuн A.B., Бamuщeв A.É., Воронов C.A. и др. // Космич. исслед. 2007. T. 45. № 5. С. 471.
8. Aлeкcaндpuн C.Û., Плъжр A.M., Воронов C.A. и др. // Изв. РАН. Сер. физ. 2003. T. б7. № 4. С. 521.
ИЗBЕCTИЯ РАН. СЕРИЯ
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.