КОСМИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ, 2012, том 50, № 2, с. 122-129
УДК 523.4-854
О ПОЯСЕ ЭНЕРГИЧНЫХ ЭЛЕКТРОНОВ НА Ь = 2.75 В МАГНИТОСФЕРЕ ЗЕМЛИ
© 2012 г. Ю. И. Логачев, Л. Л. Лазутин
Научно-исследовательский институт ядерной физики им. Д.В. Скобельцына МГУ
Logachev@srd.sinp.msu.ru Поступила в редакцию 15.04.2010 г.
В 1964 г. при полетах спутников ЭЛЕКТРОН в магнитосфере Земли были зарегистрированы узкие пояса энергичных электронов (Ее« 6 МэВ) на L « 2.75. Такие же образования приблизительно на тех же магнитных оболочках были обнаружены в 2004 гг. спутниками Земли КОРОНАС-Ф и БЕВУ1Б-1. Проводится сравнение результатов этих экспериментов. Показано, что дополнительные узкие пояса энергичных электронов возникают после интенсивных магнитных бурь (Д^ > 100 нТл), в наших случаях имевших двойную-тройную структуру. Время жизни этих поясов составляет несколько месяцев, их исчезновение носило постепенный характер. Полученные результаты, разнесенные по времени на 40 лет, говорят о постоянстве источников частиц радиационных поясов Земли и протекающих в магнитосфере процессов, что обеспечивает не только существование самих поясов радиации, но и повторяемость различных экзотических явлений в поясах, подобных поясу энергичных электронов на внутренних магнитных оболочках.
1. НЕМНОГО ИСТОРИИ
Структура потоков энергичных электронов в радиационных поясах Земли в плоскости экватора имеет картину, представленную на рис. 1. Видно, что для потоков электронов с энергией >100 кэВ, а особенно с энергией >1 МэВ на L = 3.0—3.2 наблюдается глубокий минимум, разделяющий внутренний и внешний пояса. Для электронов малых энергий (10—50 кэВ) этот минимум почти отсутствует.
Этот рисунок получен по результатам полетов спутников ЭЛЕКТРОН в 1964 г. Полеты этих спутников дали ответ и на вопрос об устойчивости радиационных поясов Земли и их вариациях в зависимости от уровня солнечной активности. Как мы помним, радиационные пояса были открыты в период максимума солнечной активности и не было уверенности, что при ее уменьшении пояса не претерпят сильного изменения или вообще не исчезнут. Время полета спутников ЭЛЕКТРОН пришлось на год минимума солнечной активности. Один из важных результатов полетов этих спутников состоял в том, что радиационные пояса Земли являются устойчивым образованием и их характеристики меняются не катастрофически при переходе солнечной активности от максимума к минимуму.
2. ПОЯС ВЫСОКОЭНЕРГИЧНЫХ ЭЛЕКТРОНОВ В 1964 г.
При полете спутников ЭЛЕКТРОН было обнаружено интересное образование — узкий пояс
энергичных электронов (Ее > 6 МэВ), располагавшийся в зазоре между внутренним и внешним поясом на L ~ 2.7—2.8 (см. рис. 2). Этот пояс уже существовал к моменту запуска спутников ЭЛЕК-ТРОН-1, -2 (30.1.1964 г.) и практически исчез ко времени запуска спутников ЭЛЕКТРОН-3, -4 (11.VII.1964 г.). Он регистрировался в основном спутником ЭЛЕКТРОН-1, имевшим орбиту, пересекавшую магнитную оболочку с L ~ 2.7—2.8. Спутник ЭЛЕКТРОН-2 также регистрировал это образование, но менее отчетливо, т.к. он пересекал магнитные оболочки с L ~ 2.7—2.8 на значительно больших высотах, где фоновый счет счетчика Гайгера, зарегистрировавшего обсуждаемый пояс высокоэнергичных электронов, от тормозного излучения электронов меньших энергий затушевывал счет электронов с энергией Ее > 6 МэВ. На рис. 2 приведены данные некоторых последовательных пролетов спутника ЭЛЕКТРОН-1, приблизительно каждого десятого, пересекающего области зазора между внутренним и внешним поясами по прибору, регистрировавшему энергичные электроны (Ее > 4 МэВ).
На рисунке хорошо видно наличие пика таких электронов на L ~ 2.5—3. Сравнение данных других приборов показало, что пояс образован электронами с энергиями >6 МэВ [1]. Статистическая обработка положений этого пояса в пересчете на экваториальные широты дала значение для L = = 2.75 ± 0.4.
Анализ показаний трех счетчиков Гайгера и сцинтилляционных счетчиков показал, что источник возрастания — электроны с энергией от
108
107
-г 106 о
гч
В 105 | 104
103 102
> 30 МэВ > 100 МэВ
J_I_I_
> 40 кэВ
протоны электроны с дневной стороны электроны с ночной стороны Земли
2
3
4
6 7
ЯМ)
10
11
Рис. 1. Потоки электронов и протонов различных энергий в плоскости геомагнитного экватора в периоды спокойной магнитосферы.
5
8
9
4 до 7 МэВ. В 1964 году это экзотическое явление не было строго объяснено. Но было высказано предположение, что пояс, возможно, возник во время магнитной бури 23.IX.1963 г., т.е. задолго до начала полетов спутников ЭЛЕКТРОН [1].
Другую возможность дает теория Тверского Б.А. (1968 г.), которая допускает заброс частиц во внутренние области магнитосферы под действием мощных одиночных или более слабых групповых внезапных положительных импульсов магнитного поля, которая, однако, в 1964 г. еще не была создана [2].
В настоящей заметке мы покажем, что предположение о связи магнитной бури 23.IX. 1963 г. с появлением пояса энергичных электронов является правильным. Это предположение позволяет нам обсудить временные характеристики пояса энергичных электронов, существовавшего в 1963—64 гг. в зазоре между внутренним и внешним радиационными поясами.
Прежде всего, нужно обратить внимание на стабильность потоков электронов в течение месяца наблюдения спутником ЭЛЕКТРОН-1 в феврале 1964 г. (см. рис. 2). Здесь в течение 20 дней скорость счета детектора сохранялась в пределах 60— 80 имп/с (после вычета фоновой скорости счета детектора) и только в следующие 20 дней начала несколько уменьшаться, оставаясь около 40 имп/с в последний день работы спутника ЭЛЕКТРОН-1.
Это обстоятельство говорит о том, что после возникновения этого пояса в конце сентября 1963 года, он также оставался стабильным, поток электронов изменялся медленно все четыре месяца. Зарегистрированные скорости счета »100 имп/с соответствуют потоку электронов около 102 см-2 с-1 ср-1.
Как уже упоминалось, в работе [1], посвященной результатам экспериментов на спутниках ЭЛЕКТРОН, было высказано предположение, что описываемый пояс энергичных электронов на Ь = 2.75 возник в связи с магнитной бурей 22-23.IX.1963 г., т.е. за 4 месяца до полета спутников ЭЛЕКТРОН. Характеристики этой бури (значения В^) представлены на рис. 3. Видно, что буря была достаточно сильная, максимальное В^ = 240 нТл, причем, буря была двойная: первая 22.1Х., а затем более мощная 23.1Х. Эта буря была вызвана солнечной вспышкой 21.IX. 1963 N10^09, балл 2, МсМ 6964. Вспышка сопровождалась генерацией протонов достаточно высокой энергии (1р(Ер > 1.7 МэВ) = = 3 • 102/см2 с ср МэВ, /р(Ер > 200 МэВ) = 3 • 10-1/см2 с ср МэВ), о потоке солнечных электронов в этой вспышке сведений нет. Вторая последовательная вспышка произошла в той же активной области 26.IX.1963 г. (N13W78, балл 3) также с протонами (1р(Ер > 1.3 МэВ) = 3.5 • 103/см2 с ср МэВ, Jp{Еp > > 120 МэВ) = 1/см2 с ср МэВ), сведения об электронах также отсутствуют.
Рис. 2. Пояс энергичных электронов Ее > 6 МэВ по данным спутников ЭЛЕКТРОН-1 и ЭЛЕКТРОН-3. Эффективный геометрический фактор детектера составлял около 1 см2 ср. Приведены номера витков орбит спутников ЭЛЕКТРОН и даты пролета через пояс энергичных электронов.
50
0
-50
ч
Т
н -100
С?
-150
-200
-250
D„
♦♦♦
20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 Дни сентября 1963 г.
Рис. 3. Значения Dst для магнитной бури в сентябре 1963 г.
Запуск спутника ЭЛЕКТРОН-3 на такую же орбиту, как и ЭЛЕКТРОН-1 был осуществлен 11.VI.1964 г., т.е. спустя 3 месяца с небольшим после окончания работы спутника ЭЛЕКТРОН-1. К этому времени пояс энергичных электронов перестал существовать (см. рис. 2). Следовательно, полное время существования пояса составило от 5 до 8 месяцев. Отметим, что это был период очень спокойного состояния магнитосферы Земли, солнечная активность имела минимальный уровень, за это время произошло только две заметных вспышки на Солнце (28.Х.1963, N12W24, мощность 3 и 16.III.1964, N05W73, мощность 1+), которые не создали значительного числа солнечных частиц, но вызвали умеренные магнитные бури 170 и 60 нТл. Первая из этих бурь также могла вызвать рост интенсивности релятивистских электронов.
Исчезновение пояса электронов происходило в результате постепенного уменьшения потока электронов из-за рассеяния их на электромагнитных волнах. По теории Тверского [2] превышение интенсивности электронов над критическим уровнем в зазоре между поясами приводит к генерации циклотронных волн, сбрасывающих избыток частиц в атмосферу. Этот же механизм привел к исчезновению пояса электронов на L = 2.75.
3. ЭКСПЕРИМЕНТЫ 2004 гг.
2004 год также как и 1963—64 годы, был годом, предшествующий очередному минимуму солнечной активности. В 2004 году наблюдалось несколько мощных солнечных вспышек (апрель, июль, ноябрь) и достаточно мощных магнитных бурь, две из которых также привели к появлению пояса энергичных электронов на L = 2.5—3. Это бури в конце июля и в ноябре 2004 года. Анализ
динамики частиц во время этих бурь опубликован в работах [3] и [4] соответственно.
3.1. Магнитная буря 22-28.VlI.2004 г. На рис. 4 приведены широтные (в зависимости от L) профили потоков электронов Ее = 1.7 МэВ по данным спутника SERVIS-1 для различных моментов времени: до магнитной бури (4."П), спустя две недели после начала бури (4."УШ), потом через месяц (4.ГХ) и еще через месяц (4.Х). Все профили относятся к 3—5 числу указанного месяца. Форма профиля до начала бури практически совпадает с профилем в спокойные периоды солнечной активности, как, например, на рис. 1. Меньшие потоки электронов объясняются как большей энергией, так и значительно меньшей высотой полета КА SERVIS-1 (круговая орбита на высоте 1000 км.). После бури сформировался совершенно другой профиль: поток электронов увеличился на большом диапазоне широт с максимумом на L = 2.7—2.8 и небольшим дополнительным максимумом на L = 2.3.
Через месяц максимум на L = 2.7—2.8 стал на порядок меньше, несколько сместившись к меньшим L . Этот процесс релаксации продолжался и через месяц и прекратился из-за новой бури, полностью изменившей конфигурацию пояса. Отметим, что по окончан
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.