КОСМИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ, 2008, том 46, № 6, с. 514-518
УДК 523.4-854
ПОТОКИ ПРОТОНОВ, ЗАРЕГИСТРИРОВАННЫЕ НА НИЗКООРБИТАЛЬНЫХ СПУТНИКАХ
© 2008 г. Н. В. Кузнецов, Н. И. Николаева, М. И. Панасюк
Научно-исследовательский институт ядерной физики им. Д.В. Скобельцына МГУ
nni@srd.sinp.msu.ru Поступила в редакцию 17.12.2007 г.
В настоящей работе обсуждаются потоки протонов с энергией в интервале от 30 кэВ до 140 МэВ, зарегистрированные приборами на российских спутниках КОРОНАС-Ф и УНИВЕРСИТЕТСКИЙ и на американских спутниках GOES-11 и NOAA-17. С целью оценки достоверности полученных данных выполнено сравнение показаний отдельных энергетических каналов указанных выше приборов между собой. Экспериментальные потоки захваченных протонов сравниваются с потоками, предсказываемыми моделью АР8.
PACS: 94.30.Xy
ВВЕДЕНИЕ
В настоящее время, благодаря многочисленным исследованиям, основные закономерности пространственно-временного и энергетического распределения потоков заряженных частиц в околоземном космическом достаточно хорошо изучены [1]. Однако из-за многофакторности задачи и объективных трудностей при проведении измерений на космических аппаратах обобщение имеющихся данных на количественном уровне встречает определенные трудности и требует дальнейших экспериментальных исследований с учетом конструктивных особенностей приборов и особенностей функционирования космического аппарата (орбита, ориентация). Особенно это относится к данным, на основе которых разрабатываются и совершенствуются количественные модели потоков захваченных частиц [2-6]. В этой связи представляется целесообразным проводить сравнение экспериментальных данных, полученных разными приборами, для оценки систематических ошибок и достоверности полученных данных.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ДАННЫЕ
В настоящей работе такое сравнение выполнено для потоков протонов, измеренных на российских спутниках КОРОНАС-Ф и УНИВЕРСИТЕТСКИЙ и на американских спутниках ООЕБ-П и ИОАА-17. Все спутники, за исключением геостационарного спутника ООЕБ-П, относятся к классу низкоорбитальных полярных спутников со следующими параметрами орбит: КОРОНАС-Ф - высота - 500км (360 км в 2005 году), наклонение - 83°; УНИВЕРСИТЕТСКИЙ - 970 км, 83°, МОАА-17 -~820 км, 98°. Базы данных по потокам протонов спутников КОРОНАС-Ф и УНИВЕРСИТЕТСКИЙ созданы в НИИЯФ МГУ. Данные приборов
спутников ООЕБ-П и ИОАА-17 были взяты из ИНТЕРНЕТА (http://goes.ngdc.noaa.gov/data/avg/, http://poes.ngdc.noaa.gov).
Дифференциальные энергетические каналы приборов спутников и конструктивные особенности их детекторов приведены в таблице. Как видно из этой таблицы, энергетические интервалы отдельных каналов разных приборов имеют перекрытие, а в совокупности все каналы позволяют регистрировать потоки протонов в широком интервале энергий от 30 кэВ до ~140 МэВ. Однако необходимо отметить, что конструктивные параметры детекторов в рассматриваемых приборах имеют существенные различия.
Сравнение показаний приборов разных спутников проводилось по двум направлениям. В первом случае сравнивались показания детекторов низкоорбитальных спутников во время их пролета полярных областей (параметр дрейфовой оболочки Ь > 6.5) с данными детектора спутника ООЕБ-П при появлении протонов солнечных космических лучей. Для сравнения выбирались большие солнечные события в 2001-2005 гг. Сравнивался временной ход и абсолютные значения зарегистрированных потоков протонов солнечных космических лучей. При этом границы энергетических каналов прибора спутника ООЕБ-П пере-считывались для границ энергетических каналов приборов низкоорбитальных спутников.
Во втором случае сравнивались показания приборов низкоорбитальных спутников, регистрирующих потоки захваченных протонов. При этом выбирались показания каналов с близкими энергетическими границами, что в некоторых случаях достигалось объединением данных нескольких каналов одного прибора. Для сравнения этих показаний использовались данные марта-апреля 2005 года, так как в этот период отсут-
Энергетические каналы приборов и основные конструктивные особенности детекторов на низкоорбитальных спутниках
Энергетический канал, МэВ Тип детектора (толщина) Угол обзора Геом. фактор, см2 ср
КОРОНАС-Ф
1-5 полупроводниковый (50мкм) ~±30° 0.5
14-26 сцинтилляционный ~±70° 30
26-50 полупроводниковый (300мкм) + сцинтилляционный ~±70° 2
50-90 полупроводниковый (300мкм) + сцинтилляционный ~±70° 2
УНИВЕРСИТЕТСКИЙ
2-14 полупроводниковый (300 мкм) ~±27.5° 0.097
7-15 полупроводниковый (300 мкм) ~±27.5° 0.097
15-40 полупроводниковый (1000 мкм) ~±27.5° 0.02
ИОАА*
0.03-0.08 полупроводниковый (200 мкм) ~±5° 0.01
0.08-0.24
0.24-0.8
0.8-2.5
2.5-6.9
16-35**) полупроводниковый (3 мм) ~±60° 1.2
35-70**) полупроводниковый (3 мм) ~±60° 1.2
70-140**) полупроводниковый (3 мм) ~360° 5.5
Примечание: * Рассматриваются показания детекторов, ось которых направлена "в зенит". ** Данные по потокам протонов получены из показаний интегральных каналов.
ствовали солнечные события и сильные геомагнитные возмущения.
Сравнение потоков протонов солнечных космических лучей. Для примера, на рис. 1а приведен временной ход потока протонов с энергией 26-50 МэВ, зарегистрированный на спутниках ООЕБ-П (серые точки) и КОРОНАС-Ф (черные точки) в солнечном событии в январе 2005 года. Как видно из рисунка, временной ход, а также значения этих потоков хорошо согласуются между собой.
Этот вывод подтверждает функциональная взаимосвязь этих потоков, приведенная на рис. 16. В целом, как показал такой анализ для всех рассмотренных солнечных событий, большинство энергетических каналов детекторов низкоорбитальных шутников КОРОНАС-Ф, УНИВЕРСИТЕТСКИМ, ИОАА-17 регистрируют потоки протонов солнечных космических лучей, которые удовлетворительно (в пределах фактора 2 при потоке более 10 см-2 с-1) совпадают со зна-
104F
&
О -г
о 103
П 10
0 к
1 101 &
м
g 100
о
С
2 .
10-
103F
16 17 18
19 20 21 День года
22 23 24 10
Рис. 1
100
101
102
103
Поток протонов, GOES
103
>ИОАА
& о
102 ЕГ
101,
я о к о
а100
к
м
о10-1 С
+ Университетский о Коронас-Ф
10-2 =
101.0
= в
1
ТГ1
+Н+ +
»0.8-2.5 МэВ 1-5 МэВ
1.1 1.2
2-7 МэВ * 2.5-6.9 МэВ
. 16-35 МэВ
14-26 МэВ
15-40 МэВ
+ +
8?
О О " &°0 о
<6° я
о ах*
J
1.1 1.2
1.3
Рис. 2
чениями потоков протонов, зарегистрированными на спутнике ООЕБ-П.
Сравнение потоков захваченных протонов.
Основные потоки захваченных протонов регистрируются в области Южно-Атлантической аномалии, на дрейфовых оболочках Ь = 1.15-1.8.
Для оценки достоверности абсолютных значений регистрируемых потоков захваченных протонов проводилось подробное сравнение показаний детекторов низкоорбитальных спутников в зависимости от геомагнитных (ЬБ) координат. Для этой цели из временны х рядов показаний, приводимых в базах данных, находились зависимости (высотный ход) потока протонов ^Ь(В/В0), зарегистрированные на определенных дрейфовых оболочках Ь ± АЬ, от относительной напряженности магнитного поля В/В0 (где В и В0 напряженность магнитного поля на дрейфовой оболочке Ь в данной точке и на геомагнитном экваторе, соответственно).
Пример сравнения показаний различных каналов (или их комбинаций) приборов низкоорбитальных спутников для Ь = 1.19-1.20 приведен на рис. 2. Как видно из этого рисунка, в любом энергетическом канале регистрируется значительный разброс потока захваченных протонов на фиксированной Ь-оболочке. Этот разброс, как показал статистический анализ, составляет ±~50% от среднего значения для потоков вблизи геомагнитного экватора (В/В0 < ~1.1) и растет при увеличении В/В0, достигая на "хвосте" порядка величины и более. Указанное значение ошибки следует считать
точностью измерений абсолютных значений потока для любого из рассматриваемых приборов.
Из рис. 2 видно, что можно говорить о хорошем совпадении экспериментальных направленных потоков, зарегистрированных приборами спутников ИОЛА и КОРОНАС-Ф при энергии протонов 0.82.5 МэВ и 1-5 МэВ соответственно (рис. 2а).
В двух других случаях (рис. 26, 2в) имеется расхождение данных, выходящее за пределы точности измерений. Это расхождение можно понять, так как существуют различия в ориентации оси детекторов относительно силовой линии магнитного поля Земли (в питч-углах детекторов) при равных значениях В/В0, а также в углах обзора детекторов разных спутников. При этом более высокие значения потока протонов показывают детекторы, которые имеют меньший угловой обзор (таблица).
Действительно, питч-угловое распределение потоков захваченных протонов является анизотропным на рассматриваемых оболочках [7] и регистрируемый направленный поток частиц ^Ь(В/В0, у, Ау) можно оценить по формуле [8]
у + Ау
В/Во, у, Ау) = зь^
^(В/Во,а) . ——-81п аяа
Р{ь\ В/Во)
у + Ау
| 8ш аёа
у - Ау
х ^В/Во) = к(В/Во, у, Ау)^В/Во),
1
L = 1.19-1.20
& о
О 1
к
о н
о &
м о
Ó С
„ .ib.**
100
i
+ -Н+ +
fr.xjttp-1 * *
5 «
^ W + i
•I О
160
140
1.00
1.05
1.10
B/B0
1.15
120
100
80
60
40
1.20
и л
л &
о н м о н о и
ч
0
и
^
1
V н н С
Рис. 3. Нормированные (при В/В0 = 1) зависимости потоков захваченных протонов с энергией 0.8-2.5 МэВ (узконаправленный детектор спутника ЫОАА-17) и 15-40 МэВ (широкообзорный детектор спутника УНИВЕРСИТЕТСКИЙ) на оболочке 1.2, зарегистрированные на спутнике ЫОАА-17 и питч-угол детекторов в зависимости от В/Во.
2
1
где В/В0) - перпендикулярный к силовой линии направленный поток частиц в точке В/В0,
ЕЬ(В/В 0, а)/В/В0) - нормированное питч-угловое распределение частиц в точке В/В0 силовой линии, у - питч-угол детектора, характеризующий ориентацию его оси относительно силовой линии, Ау - угол обзора детектора, к(В/В0, у, Ду) -коэффициент, отражающий зависимость показаний детектора от питч-углового распределения частиц в каждой точке В/В0 на силовой линии.
Для выяснения влияния ориентации у и поля обзора Ау детекторов на экспериментальные зависимости БЬ(В/В0) на рис. 3 приводятся нормированные данные двух детекторов, которые имеют разный угол обзора (КОЛА - Ау = ~5°, УНИВЕРСИТЕТСКИЙ - Ау = ~27.5°). Спутник ЫОА
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.