научная статья по теме ОСОБЕННОСТИ ЭКСПАНСИИ К ПОЛЮСУ ВНЕШНЕГО РАДИАЦИОННОГО ПОЯСА ВО ВРЕМЯ МАГНИТОСФЕРНЫХ СУББУРЬ Геофизика

Текст научной статьи на тему «ОСОБЕННОСТИ ЭКСПАНСИИ К ПОЛЮСУ ВНЕШНЕГО РАДИАЦИОННОГО ПОЯСА ВО ВРЕМЯ МАГНИТОСФЕРНЫХ СУББУРЬ»

ГЕОМАГНЕТИЗМ И АЭРОНОМИЯ, 2014, том 54, № 2, с. 200-208

УДК 52-854

ОСОБЕННОСТИ ЭКСПАНСИИ К ПОЛЮСУ ВНЕШНЕГО РАДИАЦИОННОГО ПОЯСА ВО ВРЕМЯ МАГНИТОСФЕРНЫХ СУББУРЬ

© 2014 г. Л. Л. Лазутин

Научно-исследовательский институт ядерной физики им. Д.В. Скобельцына, МГУ им. М.В. Ломоносова, г. Москва

e-mail: lll@srd.sinp.msu.ru Поступила в редакцию 13.05.2013 г. После доработки 07.06.2013 г.

Исследуются случаи смещения в высокие широты внешней границы электронного пояса, свидетельствующие о расширении к полюсу зоны квазизахвата ночной магнитосферы. Показано, что эти события вызываются суббуревой активностью, которая, смещаясь в высокие широты, может приводить к развитию так называемых суббурь полярной шапки. Показано, что высокоширотные всплески энергичных электронов могут генерироваться в такого рода суббурях аналогичным образом тому, как это происходит в классических суббурях авроральной зоны.

DOI: 10.7868/S0016794014020126

1. ВВЕДЕНИЕ

Положение внешнего радиационного пояса энергичных электронов испытывает значительные вариации. Внимание исследователей сосредоточено на динамике радиационного пояса во время магнитных бурь, с характерным движением к Земле максимума пояса и его границ на главной фазе и возвратного движения от Земли на фазе восстановления. Причиной такого внимания является нерешенность проблем ускорения и потерь частиц при радиальном переносе вглубь магнитосферы и практических приложений радиационной опасности.

Экспансии приполюсной границе радиационного пояса, ее движению к полюсу уделялось в последнее время меньше внимания. Более того, смещенные к полюсу возрастания потоков электронов обычно трактовались как явление внешнее по отношению к поясу, как отдельные "острова" [Anderson et al., 1965, McDiarmid and Burrows, 1965]. Вместе с тем возрастания интенсивности энергичных электронов во время активной фазы суббури — явление общеизвестное и хорошо изученное, и пространственно оно располагается на внешнем склоне радиационного пояса [Lazutin and Korth, 1998], так что, по крайней мере, часть таких возрастаний в зоне полярных сияний может лишь выглядеть как изолированные "острова" вне радиационного пояса. Кроме того, часть суббурь во время которых ускоряются энергичные электроны, действительно, может сдвигаться в область, традиционно относящуюся к полярной шапке.

Исследуя зависимость размеров и границ зоны полярных сияний, Старков и Фельдштейн [1967] еще в шестидесятых годах показали, что с ростом магнитной активности границы зоны расширя-

ются как к экватору, так и к полюсу. На большом статистическом материале Newill et al. [1996] установили, что полярная граница овала сияний (центрального плазменного слоя) и фоновая граница электронного радиационного пояса совпадают как в спокойное, так и в возмущенное время. Даже, если усомниться в том, что совпадение точное, динамика этих двух границ управляется изменением структуры ночного сектора магнитного поля магнитосферы, а, следовательно, должна идти в одном направлении.

Исследованию суббурь за пределами зоны полярных сияний посвящено небольшое число работ, [Loomer and Gupta, 1980; Gussenhoven, 1982; Hones, 1985], в которых рассматриваются несколько явлений, по-видимому, разной природы. Связь полярной экспансии аврорального элек-троджета и полярных сияний с параметрами солнечного ветра и межпланетного магнитного поля рассматривается в статье [Дэспирак и др., 2008], в которой можно найти анализ результатов более ранних работ. В ней, однако, не выделяются различные типы явлений, приводящих к высокоширотной экспансии, которых, очевидно несколько. Одно из таких явлений, названное авторами полярными магнитными суббурями, наблюдается в предполуночные часы при отсутствии суббурь в авроральной зоне в условиях умеренной магнитной активности [Клейменова и др., 2012]. Магнитные бухтообразные возмущения в этих событиях подобны суббуревым бухтам авроральной зоны, но пульсации и полярные сияния отличаются от классических суббурь.

Еще одна группа явлений, названная авторами суббурями полярной шапки, была иследована в нескольких работах [Nielsen et al., 1988; Weather-

wax et al., 1997; Doolitle et al., 1998; Mende et al., 1999]. Наблюдается этот тип суббурь в высоких широтах за спокойной границей полярной шапки в том же долготном секторе, что и "нормальные" суббури, и сопровождаются тем же набором проявлений в сияниях, вариациях и пульсациях магнитного поля. Важно, что во время суббурь полярной шапки наблюдается авроральное риомет-рическое поглощение, что свидетельствует об ускорении электронов с энергией в десятки кэВ.

Прямая связь всплесков энергичных электронов с суббурями полярной шапки была обнаружена в работе [Kuznetsov et al., 2001], когда наряду с магнитными бухтами в полярной шапке и всплесками риометрического поглощения измерялись и возрастания энергичных электронов с энергией >0.3 МэВ на низковысотном спутнике с полярной орбитой КОРОНАС-И (далее К-И).

Настоящая работа является продолжением исследования на спутнике КОРОНАСЕ-И с той разницей, что в 2004 году магнитная и суббуревая активность были намного выше, чем во время минимума цикла солнечной активности, когда работал К-И, что позволило выявить новые особенности полюсной экспансии радиационного пояса на базе измерений на спутниках КОРОНАС-Ф и SERVIS-1.

2. ИЗМЕРЕНИЯ

Низковысотные спутники с полярной орбитой КОРОНАС-Ф (далее К-Ф) и SERVIS-1 (далее S-1) на высотах 500 и 1000 км соответственно, первый работал в 2001—2005, а второй в 2003—2005 годах. Нами использовались измерения энергичных электронов на спутнике К-Ф в канале телескопа 0.3-0.6 МэВ и на S-1 в каналах 0.3-1.7 МэВ и 1.73.4 МэВ. Подробное описание полетного оборудования приведено в работах [Kuznetsov et al., 2002] и [Kodaira et al., 2005].

Для оценки уровня возмущенности использовался 3-х часовой Кр-индекс, достаточно адекватно отражающий уровень суббуревой активности в авроральной зоне; для определения фазы суббури и широты эпицентра активизации — измерения на меридиональных цепочках магнитометров, на которых есть и авроральные, и высокоширотные станции. Мы воспользовались данными двух таких цепочек: скандинавской сети IMAGE [Viljanen and Hakkinen, 1997] и канадской - CANOPUS [Mann et al., 2008]. Полуночный сектор первой из них приходится приблизительно на интервал 17-03 UT, второй - 03-13 UT В эти интервалы мирового времени попало достаточно много измеренных широтных профилей внешнего радиационного пояса, частично сдвинутых в высокие широты, примеры анализа таких пролетов приводятся ниже.

2.1. Спокойные радиальные профили. На рисунке 1 (а, б) показаны примеры измерения радиальных профилей электронов >0.3 МэВ за несколько часов спокойной магнитной обстановки на спутниках К-Ф и S-1. Приведены все измерения подряд без отбора, по четыре профиля за каждый облет Земли, как в северном так и в южном полушариях на восходящих и нисходящих орбитах. Наблюдается подобие структур внешнего пояса на этих спутниках, причем аналогичная картина повторяется не только в течение несколько часов, но и изо дня в день. На рисунке 1в приведены аналогичные изменения на спутнике POES-15 в канале 0.3 МэВ 90°, который на широтах L > 1.7 измеряет электроны, захваченные в радиационном поясе, а не высыпающиеся частицы [Roger et al., 2010]. Положение максимумов потока электронов в радиальных профилях внешнего пояса на всех спутниках совпадает, интенсивность в максимуме меняется в пределах одного порядка. Вариации происходят вследствие того, что меняется направление угла зрения детектора по отношению к направлению магнитной силовой линии (этот эффект особенно велик у К-Ф) и, кроме того, часть орбит проходит над Бразильской магнитной аномалией, где по известным причинам поток измеряемых захваченных частиц выше. Измеренные значения фоновой границы пояса на L = 8—9 не намного отличаются от положения приполюсной границы спокойного аврорального овала (L ~ 10). На этих рисунках и дальше измерения условно поделены на утренние (0-12 LT) и вечерние (12-24 LT).

2.2. Радиальные профили во время суббуревой активности. При повышенной суббуревой активности (но в отсутствии магнитных бурь) потоки энергичных электронов, действительно, могут регистрироваться на широтах выше спокойной фоновой границы. Можно отметить два типа полюсного сдвига: в первом наблюдается сдвиг фоновой границы, так что внешний склон радиационного пояса удлиняется. Во втором типе регистрируются всплески повышенной интенсивности электронов, которые, как правило, накладываются на общий сдвиг склона пояса первого типа. На рисунке 2 приведены широтные профили электронов 0.3 МэВ, измеренные спутником К-Ф 18.01.2004 г. Средний Кр-индекс за сутки равнялся трем (суммарный Кр = 25). Магнитной бури не было, минимальная величина Dst равнялась -33 нТл. В утренних пролетах виден сдвиг к полюсу фоновой границы до L = 15, тогда как в вечернем секторе радиационный пояс сохранял профиль невозмущенного дня. Эти две особенности — сдвиг к полюсу в возмущенные периоды и асимметрия утро-вечер, наблюдаются во многих случаях.

Положение максимума и фоновой границы радиационного пояса задается структурой магнитного поля ночной магнитосферы, следовательно, изменение положения широтного про-

105

103

101

10-

106

105 =

i 104 с

103 г

102

К-Ф 0.3 МэВ 21.04.2004 г.

4

ivo

т . л

€ЬЛ %

+ +

3.

+ Л*

^ + J. Оч*

л* v

0+,

+Вечер О Утро

fy

** ^

+ ^

Г и i 11 11 У". v _1A *

V 4

12

14 L

8 10 б

S-1 e 0.3 МэВ 2.04.2004 г.

4 6 8 10 12 14 L

P-15 e 0.3 МэВ 25.04.1999 г.

10

12

14 L

филя радиационного пояса во время суббурь указывает на изменения структуры магнитного поля. Ниже мы приведем несколько примеров одновре-

Рис. 1. Примеры измерения радиальных профилей электронов, за несколько часов спокойной магнитной обстановки на спутниках К-Ф (а), S-1 (б) и POES-15 (в). Приведены все измерения без отбора, по четыре профиля за каждый облет Земли, как в северном, так и в южном полушарии на восходящих и нисходящих орбитах. Ромбики — утренний сектор (00—12 ЕГ), крестики — вечерний сектор (12—24 ЕТ)

менного сдвига в полярных шапку поя

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.

Показать целиком

Пoхожие научные работыпо теме «Геофизика»