КОСМИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ, 2013, том 51, № 5, с. 355-362
УДК 537.591.5
О ПРОНИКНОВЕНИИ СОЛНЕЧНЫХ КОСМИЧЕСКИХ ЛУЧЕЙ В МАГНИТОСФЕРУ ЗЕМЛИ 28 ЯНВАРЯ 2012 г.
© 2013 г. Н. А. Власова1, Е. А. Гинзбург2, В. В. Калегаев1, И. Н. Мягкова1, М. И. Панасюк1, И. А. Рубинштейн1, М. О. Рязанцева1, П. М. Свидский2, В. И. Тулупов1
Научно-исследовательский институт ядерной физики им. Д.В. Скобельцына МГУ им. М.В. Ломоносова
2Институт прикладной геофизики, г. Москва nav19iv@gmail.com Поступила в редакцию 07.11.2012 г.
Представлены результаты сравнительного анализа динамики потоков СКЛ с энергиями 1—100 МэВ в межпланетной среде по данным КА АСЕ и Wind и внутри магнитосферы Земли по данным ИСЗ GOES-15 и Электро-Л в области геостационарной орбиты и ИСЗ РОЕБ-19 и Метеор-М1 в области полярных шапок во время двух возрастаний СКЛ 19—31.1.2012. Показано, что наблюдавшееся 28.I.2012 уменьшение эффективности проникновения СКЛ в магнитосферу Земли в областях исследуемых орбит связано с прохождением магнитосферы Земли через структуру межпланетной среды с квазирадиальным межпланетным магнитным полем и небольшим давлением солнечного ветра.
DOI: 10.7868/S0023420613050099
ВВЕДЕНИЕ
Влияние Солнца посредством межпланетной среды (МС) на магнитосферу Земли (МЗ) сложно, многогранно и неоднозначно. МС — неоднородная и нестационарная структура. МЗ — сложная самоорганизующаяся система. "Концепция открытой магнитосферы" [1] — это наиболее известная и принятая современная основа физики солнечно-земных связей. Предполагается, что силовые линии МЗ временно пересоединяются с силовыми линиями межпланетного магнитного поля (ММП) при его южной ориентации (последние данные и ссылки на предысторию можно найти, например, в [2]). Величина ^-компоненты ММП ответственна за скорость пересоединения, она оказывает влияние практически на все процессы, происходящие в МЗ (см., например, [3]). Компоненты Ву и Вх также играют определенную роль (см., например, [4, 5]). Выделяют разные уровни воздействия МС на МЗ [6]: однородное и стационарное течение МС имеет своим результатом структуру МЗ; однородное, но нестационарное течение МС вызывает геомагнитные возмущения; неоднородность и дискретность МС, полагают, может быть причиной геомагнитных суббурь [7]. Состояние МС влияет также на эффективность проникновения СКЛ из МС внутрь МЗ — процесса, который, как казалось, определяется только структурой и динамикой геомагнитного поля [8]. СКЛ используются для зондирования МС (см., например, [9, 10]), а также служат инструментом для исследования струк-
туры и состояния МЗ и солнечно-земных связей [11, 12].
Теория движения энергичных частиц в ди-польном геомагнитном поле разработана Штёр-мером [13]. Применение теории целесообразно для протонов с энергией, приблизительно, >10 МэВ [14], однако ее можно использовать и для меньших энергий. Сравнение теории с измерениями на космических аппаратах (КА) показали (см., например, [15, 16]), что СКЛ иногда проникают в МЗ значительно глубже, чем предсказано в теории Штёрмера, причем расхождение с расчетами (даже с расчетами по более современным моделям) увеличивается с ростом геомагнитной широты и уменьшением энергии частиц, особенно во время геомагнитных возмущений (см., например, [17, 18]). Для адекватного описания этого эффекта предложены эмпирические зависимости положения границы проникновения СКЛ от индексов геомагнитной возмущенности (см., например, [19]). Созданы методы расчета вертикальной жесткости обрезания в магнитном поле, учитывающие уровень геомагнитной воз-мущенности (см., например, [20]). Исследован эффект гистерезиса между главной фазой и фазой восстановления сильной магнитной бури в положении границ проникновения солнечных протонов в магнитосферу Земли [21].
Результаты экспериментальных исследований проникновения СКЛ в МЗ демонстрируют многообразие наблюдаемой картины (см., например, обзор [22] и ссылки в нем). Каталог солнечных
КА Орбита Энергия протонов, МэВ
ACE [ www.srl.caltech.edu/ACE/ASC/] [www.sec.noaa.gov/ftpdir/lists/ace] Точка либрации L1 — 1.5 млн. км от Земли к Солнцу >10 >30
Wind [http://wind.nasa.gov/mfi_swe_plot.php] Вне магнитосферы Земли 19—28 28—72
Метеор-М1 [http://smdc.sinp.msu.ru] Полярная солнечно-синхронная; высота: ~820 км, наклонение: 98,8° 8—65
POES-19 [poes.ngdc.noaa.gov] Полярная солнечно-синхронная; высота: 800 км >16 >36 >70
Электро-Л [http://smdc.sinp.msu.ru] Геостационарная; высота: ~36000 км, долгота: 76 °E 13.5—23 23—42 42—112
GOES-15 [goes.ngdc.noaa.gov] Геостационарная;высота: ~36000 км, наклонение: ~0°, долгота: 134° W >1 >5 >10 >30 >50 >100
протонных событий [23], содержащий характеристики потоков СКЛ в момент максимума события, дает примеры разных соотношений величины потоков СКЛ в МС и внутри МЗ (сохранение, повышение или снижение), причем, в рамках каждого события, такое соотношение зависит от энергии регистрируемых частиц. В работе [24] приведено несколько случаев превышения потока СКЛ внутри МЗ на геостационарной орбите (ГСО) по сравнению с измерениями в МС и делается попытка объяснения полученного результата на основе теоремы Лиувилля. По результатам сравнительного анализа трех последовательных событий возрастания СКЛ в декабре 2006 г., в которых наблюдались три возможных случая соотношений потоков СКЛ в МС (/мс) и МЗ ^МЗ): Jмc ~ Jмз, Jмc > Jмз, Jмc < Jмз, и возрастаний СКЛ в январе 2005 г. в работе [8] сделано предположение, что существует ряд факторов, таких как направление вектора межпланетного магнитного поля, степень анизотропии потока СКЛ, близость к Земле дневной магнитопаузы и ее форма, которые определяют эффективность проникновения СКЛ из МС в МЗ.
Представленная работа посвящена сравнительному исследованию динамики потоков СКЛ в МС и внутри МЗ 19—31.1.2012 с целью выявить наиболее существенные факторы, влияющие на эффективность проникновения СКЛ с энергией 1-100 МэВ в МЗ.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ДАННЫЕ
Источники информации о потоках СКЛ, использованных в данном исследовании, приведены в таблице.
На ИСЗ Электро-Л и Метеор-М1 установлена научная аппаратура, разработанная и созданная в НИИЯФ МГУ. ИСЗ Электро-Л и Метеор-М1 — российские космические аппараты гидрометеорологического назначения, запущенные на геостационарную орбиту 20.1.2011 года и на полярную солнечно-синхронную орбиту со средней высотой 820 км в сентябре 2009 г., соответственно. На обоих спутниках установлены спектрометры, предназначенные для регистрации электронов и протонов радиационных поясов Земли и солнечных вспышек. На ИСЗ Электро-Л регистрация осуществляется в направлении перпендикулярном плоскости орбиты, на юг, а на ИСЗ Метеор-М1 — в двух взаимно-перпендикулярных направлениях: в зенит и по вектору скорости. Спектрометры представляют собой телескопы из одного или двух проходных полупроводниковых детекторов и сцинтилляционных детекторов, между которыми может быть помещен поглотитель для обеспечения требуемого диапазона энергии. В качестве примера на рис. 1 представлен схематический чертеж спектрометра СКЛ-Э на ИСЗ Электро-Л:
полупроводниковый детектор Д1 (типа dE/dх) с толщиной чувствительного слоя ~300 мкм 81;
сцинтилляционный детектор Д2 на основе кристалла С81(11) размером h20 х 015 мм;
Al 0.6 мм
Al 0.02 мм
Д1 (Si 0.3 мм)
Д2 (CsI 20 мм + фотодиод)
Cu 4 мм
Д3 (CsI 5 мм + фотодиод) Cu 12 мм
105
к. 103 л
о
м <0
101
Рис. 1. Чертеж спектрометра СКЛ-Э.
сцинтилляционный детектор Д3, выполненный также на основе кристалла С81(Т1), но размером Н5 х 020 мм.
Коллиматор выделяет конус обзора ~30°. Каждый детектор расположен в отдельной упаковке, обеспечивающей удобство доступа для монтажа и калибровки. Секции выполнены из латуни и имеют толщину боковой защиты ~11 мм, ограничивающую проникновение протонов с энергией менее ~80 МэВ.
Входное окно детектора Д1 экранировано фольгой ~20 мкм А1. Для смещения энергетического диапазона протонов и электронов, регистрируемых Д2, между детекторами Д1 и Д2 устанавливается экран ~0.6 мм А1, и, таким образом, общая толщина защиты входного окна Д2 составляет ~1 мм А1.
Геометрический фактор спектрометра СКЛ-Э составляет О ~ 0.1 см2 ср.
СОБЫТИЯ СКЛ В ЯНВАРЕ 2012 ГОДА
Возрастания СКЛ в январе 2012 г. — одни из первых событий 24-ого цикла солнечной активности. В период 19—31.1.2012 наблюдался ряд солнечных вспышек, три из которых были наиболее сильными и оказали существенное влияние на магнитосферу Земли. Все они произошли в активной области (АО) № 1402 во время ее нахождения на видимой стороне Солнца.
19.1 в АО 1402 была зарегистрирована солнечная вспышка с началом в 13.44 иТ балла (М3.2/2^ с гелиокоординатами N29Е15. Она была источником коронального выброса массы (КВМ) и связанной с ним ударной волны. Фронт ударной волны с плотностью солнечного ветра (СВ) до 80 ча-
10-1
800
700
о 600
?
500
400
300
100
80
го
я 60
О
Si 40
20
30
25
ч 20
н я 15
of 10
5
0
20
£ 10
К 0
-10
-20
40
ч 20
и 0
я -20
-40
-60
-80
ACE Ep > 10 МэВ Ep > 30 МэВ Ep > 10 МэВ Ep > 30 МэВ
GOES
............ ........... ............... ...............
Т-ТTV 1 1
: I ...... [ i.i. i ilfrll i 1..........
н ...... ...................
"...... ...................
19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31
Январь 2012 г.
Рис. 2. Временные профили потоков СКЛ, скорости, плотности СВ, модуля и ^-компоненты ММП.
стиц в см3 и скоростью плазмы СВ до 500 км/c достиг Земли в 06.14 UT 22.I (на КА АСЕ он был зарегистрирован в 05.14 UT). Временные профили скорости и плотности СВ, а также модуля и B-компоненты ММП по данным КА Wind представлены на рис. 2. В ~08 UT было зарегистрировано
л
о
о о
р
о
о о
ч Н
Я - ^
ч н я
«т
103
102Е
101
100
101
102
103
104
103 102 101 100
20 10 0 -10 -20 20 10 0
-10 -20
-30
Wind E = 19.5-28 МэВ
E = 28-72 МэВ
_l_I_I_I_I_I_I_1_
Электро-Л
E = 13.5-23 МэВ E = 23-42 МэВ E = 42-112 МэВ
19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31
Январь 2012 г.
Рис. 3. Временные профили потоков СКЛ, Bx- и Ву-компонент ММП.
SC с амплитудой 49 нТл, за которым последовала магнитная буря с Dst = -78 нТл
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.