КОСМИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ, 2012, том 50, № 3, с. 211-218
УДК 523.32+521.396
НАБЛЮДЕНИЯ АВРОРАЛЬНОГО КИЛОМЕТРОВОГО РАДИОИЗЛУЧЕНИЯ СО СПУТНИКА ИНТЕРБОЛ-1 В ПЕРИОД АКТИВНОГО СОЛНЦА В 1999-2000 г. © 2012 г. В. Н. Курильчик, В. С. Прокудина, И. Ф. Копаева
Государственный астрономический институт им. П.К. Штернберга, г. Москва Поступила в редакцию 22.09.2010 г.
Представлены результаты почти двух лет (январь 1999 г.—октябрь 2000 г.) непрерывных наблюдений Аврорального Километрового Радиоизлучения на высокоапогейном спутнике Земли ИНТЕРБОЛ-1 в эксперименте АКР-Х. Наблюдения велись на стадии роста (в 1999 г.) и в максимуме солнечной активности (в 2000 г.) в диапазоне частот 100—1500 кГц. Представлены результаты регистрации АКР вблизи максимума его спектра на частоте 252 кГц. Обнаружено как подобие (например, характер глобальной направленности), так и важные отличия от излучения АКР, наблюдавшегося во время минимума солнечной активности [5]. Наряду с очень высокой спорадичностью, для излучения характерны сильные сезонные изменения интенсивности. Оно полностью отсутствует в весенне-летний период в Северном полушарии и сильно подавляется в этот же период в Южном полушарии. Обсуждается вероятная природа этих особенностей АКР.
ВВЕДЕНИЕ
Авроральное Километровое Радиоизлучение (АКР) — самое мощное спорадическое радиоизлучение магнитосферы Земли. Оно было открыто в 1965 году советскими учеными в эксперименте на спутнике ЭЛЕКТРОН-2 [1]. Основные особенности излучения детально рассмотрены в [2].
На АКР влияют как процессы внутри магнитосферы (потоки "горячей" плазмы между плазменным слоем хвоста магнитосферы и аврораль-ной областью), так и внешние события, связанные, в частности, с циклическими изменениями солнечной активности, определяющими "погоду" в околоземном пространстве. Выясняется также, что солнечные энергичные частицы и ускоряемые частицы в плазменном слое хвоста магнитосферы, высыпаясь в верхнюю атмосферу (ионосферу), могут влиять на погодные условия на Земле [3].
Общепризнанным механизмом АКР считается циклотронная мазерная неустойчивость [4]. Источником энергии являются электроны кэВ диапазона, с особенностью в их питч-угловом распределении вида д(/д и± > 0 (например, так называемый "конус потерь"). Последние спутниковые наблюдения внутри источников АКР [6—8], а также теоретические расчеты [9], обнаружили и предложили модификацию питч-углового распределения, снимающую трудности (недостаточную эффективность раскачки мазерной неустойчивости) известных ранее распределений. Наблюдались распределения, имевшие вид "оболочки" (в трехмерном их рассмотрении). В этом случае электроны могут быть эффективными источниками энергии достаточно длительное
время, чтобы раскачать циклотронную неустойчивость до амплитуд колебаний, соответствующих наблюдаемой мощности АКР. Генерирование АКР при этом происходит в виде Я-Х моды с составляющей волнового вектора £ц близкой к нулю, что предполагает прохождение излучения близкое к 90° к направлению магнитного поля в источнике излучения.
Очень важен вопрос о природе энергичных электронов генерирующих АКР. Считалось, что они могут высыпаться из внутренней магнитосферы, ускоренные здесь электрическим полем, параллельным магнитному полю. Но теперь ясно, что наблюдаемую мощность излучения обеспечивают электроны, которые имеют питч-углы к магнитному полю близкие к 90°. Наблюдения АКР в период активного Солнца показывают сезонные изменения, которые свидетельствуют о том, что энергичные электроны, ответственные за генерирование АКР, поступают во внутренние области магнитосферы из плазменного слоя ее хвоста.
НАБЛЮДЕНИЯ
В эксперименте АКР-Х на спутнике ИНТЕР-БОЛ-1 велась непрерывная регистрация космического радиоизлучения на 6-ти фиксированных частотах 100, 252, 500, 749, 1463 и 1501 кГц. Регистрировались только электромагнитные моды излучения, так как сигнал принимался на рамочную антенну. Частотные каналы работали в полосах частот 10 кГц при динамическом диапазоне около 80 ёВ.
Спутник ИНТЕРБОЛ-1 был запущен в начале августа 1995 г. на вытянутую эллиптическую орбиту. Начальный апогей был на широте 40° N на расстоянии около 31 Яъ в локальном времени
lg f -13 -15 -17 Вт/м2Гц I. 1999 г. ¡JllilUj^ 1 1 1 1 1 1 -13 -15 -17 _ VII
-13 -15 -17 г п -13 -15 -17 VIII 1 1 1 1 11
-13 -15 -17 iii liAJWJuA^ ii i i i i -13 -15 -17 IX 1 1 1 1 1 1
-13 -15 -17 IV i i i i i -13 -15 -17 III 1 II 1
-13 -15 -17 V 14..1Д1, jJk,iii,!jL.....A j.„i.....rJ^i.iJIl, ill. 1 1 1 1 11 -13 -15 -17 XI 1 1 1 1 1 1
-13 -15 -17 VI -13 -15 -17 XII. 1999 г.
J_I_I_I_I_I___I_I_I_I_I_L
1 5 10 15 20 25 30 1 5 10 15 20 25 30
Рис. 1. Моменты перигеев отмечены штрихами в верхней части графика.
06 LT, перигей на 40° S на расстоянии около 1.15 RE, наклонение орбиты 63° и время орбитального обращения вокруг Земли около 91 часа (3.8 суток). К началу 1999 г. орбита спутника имела апогей и перигей на 7° N и 7° S, а к концу наблюдений в октябре 2000 г. на 5° S и 5° N, соответственно. Таким образом, орбита в это время медленно эволюционировала вблизи плоскости земного экватора, что затрудняло регистрацию АКР на удаленной ее части. Однако в перигеях накло-нение орбиты, менялось от 70° до начальных значений 63°, что позволяло регулярно регистрировать это излучение в обоих полушариях.
Для представления данных в сжатом во времени виде первичные данные спутниковой телеметрии, полученные, как правило, с интервалами регистрации 1 и 2 с, были усреднены. Усреднение делалось сначала в 10 с временном интервале, а затем в 2-х мин интервале, чтобы исключить модуляцию сигналов вращением спутника с периодом около 120 с.
Далее на компьютере сигнал по частям (около 2.5 суток) сжимался по оси вре-мени и затем состыковывался в месячную диаграмму — график в битовом (bitmap) виде. Уменьшение шкалы времени суточных 2-х минутных графиков примерно в 30 раз (как детально нами показано в [5]), сохранял основную временную структуру сигнала и пиковые значения потока радиоизлучения. Терялись тонкие детали этой структуры. Однако, это не существенно для представления изменений интенсивности АКР в определенные интервалы
времени (дни, периоды орбитального движения спутника и месяцы года).
Из-за того, что некоторые первичные данные регистрировались телеметрией с интервалом 8 с и, затем усреднялись с уже объединенными с 10 с-данными, ряды ежемесячных диаграмм могут быть графически длиннее, что, впрочем, отражают и соответствующие (входящие в них) более продолжительные суточные интервалы.
Представленные далее ежемесячные графики АКР состыкованы из данных отдельных сеансов непрерывных наблюдений, прерывавшихся "технологическими" интервалами времени, в которые проводилась работа со служебными системами спутника и, в частности, ориентация его оси вращения на Солнце.
На рис. 1 приведена регистрация космического радиоизлучения (и в том числе, доминирующего АКР) на частоте 252 кГц в январе—декабре в течение 1999 г. Приведены шкалы величин потока радиоизлучения и указаны дни месяца.
На рис. 1 видно, что ежемесячная регистрация АКР, в целом, похожа на наблюдение этого излучения в 1996 г. (см. [5]). Но можно заметить и отличия. Например, шире интервал отсутствия излучения на далеких расстояниях от Земли в солнечном направлении (с середины марта и до середины сентября, с центром в мае, когда орбита спутника направлена к Солнцу). Это результат эволюции орбиты спутника — приближения апогея и перигея к плоскостям экваторов (географи-
НАБЛЮДЕНИЯ АВРОРАЛЬНОГО КИЛОМЕТРОВОГО РАДИОИЗЛУЧЕНИЯ ^ Вт/м2Гц I. 2000 г.
-13
^-Ш-1-ц|1 1.1^ I »и. |
J_I_
-13 -15 -17
\_1_
II
VII
. Д ^ I. н1 .[¿|ц 1 ЦМ1—_^ IЧ .|.к. . X.^ и||| 1
J_|_
III
VIII
-13 -15 -17
-13 -15 -17
IV -13 г IX
-17 Ви^ч-^!^^^
_I_I_I_I_I_I С_I_I_I_I_I_1_
1 5 10 15 20 25 30
1 5 10 15
Рис. 2. Ежемесячная регистрация АКР на частоте 252 кГц в максимуме солнечной активности в январе-октябре 2000 г.
ческого и магнитного). Если сравнить регистрацию АКР в перигеях в январе (зима в Северном полушарии) и июне (зима в Южном полушарии), то ясно виден сезонный эффект. В январе излучение наблюдалось после точки перигея, т.е. в Северном полушарии, В июне доминирует излучение до точки перигея, т.е. в Южном полушарии. В 1996 г. (в минимуме солнечной активности) и в январе и в июне излучение присутствует в обоих полушариях (см. [5]). Подобие характера ежемесячных регистраций АКР в 1996 и 1999 годах свидетельствует о том, что излучение в период активного Солнца в целом имеет тот же характер направленности. Однако, большая спорадичность разрушает периодичность излучения как в коротких так и длительных (например, суточных) реги-страциях. Постоянная составляющая, характерная для периодов спокойного Солнца и позволившая исследовать направленность излучения в 1996 г., теперь практически отсутствует.
На рис. 2 представлена регистрация АКР в 2000 г на частоте 252 кГц в максимуме солнечной активности Эти данные охватывают временной интервал с января до середины октября 2000 г. 16.Х.2000 г. спутник эавершил свою более чем пятилетнюю работу на орбите, сгорев в атмосфере над Атлантикой. Наблюдениями не охвачен, таким образом, весь календарный год. Но мы успели зарегистрировать важный для исследования сезонных изменений АКР летний период в Северном полушарии.
Из-за характера орбиты в этот период, которая располагалась вблизи плоскости географического экватора, а также особенностей направленности "луча" на удаленной части орбиты, АКР между перигеями появлялся в виде кратковременных
всплесков низкой интенсивности лишь в январе-феврале и августе-октябре. В то же время в перигеях излучение было интенсивным, достигая нередко максимальных пиковых значений. Это означает, что на удаленной части орбиты спутник перехватывал иногда спорадические всплески на краю "луча", где интенсивность АКР уже низка.
К концу работы спутника на орбите его перигей быстро уменьшался до начального значения (около 1.15 ЯЕ ) и скорость сильно возросла. Поэтому наблюдаемое АКР - излучение в перигеях имеют нередко вид острых пиков, Если длительность АКР <20 мин
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.