АСТРОНОМИЧЕСКИЙ ВЕСТНИК, 2007, том 41, № 4, с. 361-368
УДК 550385.4(0834)
РАДИАЦИОННЫЕ БУРИ НА МАЛЫХ ВЫСОТАХ
© 2007 г. С. Н. Кузнецов , М. И. Панасшк
Научно-исследовательский институт ядерной физики им. Д.В. Скобельцына, МГУ им. М.В. Ломоносова, Москва Поступила в редакцию 10.02.2007 г.
В данном обзоре анализируется динамика энергичной радиации - частиц радиационных поясов, галактических и солнечных космических лучей в околоземном космическом пространстве во время солнечных и геомагнитных возмущений по экспериментальным данным, полученным по результатам измерений на ИСЗ КОРОНАС-Ф.
PACS: 94.30.Ху
ВВЕДЕНИЕ
Солнечные бури сопровождаются выбросами плазмы и энергичных частиц в межпланетную среду. Часть солнечного вещества проникает внутрь геомагнитного поля, изменяя характерные для спокойных периодов времени стационарные пространственные и энергетические распределения заряженных частиц. С другой стороны, происходящие во время солнечных бурь геомагнитные возмущения - суббури и бури - вызывают в околоземном пространстве интенсивный перенос и ускорение частиц как в области захваченной радиации, так и вне ее. В совокупности эти процессы приводят к сложным вариациям потоков заряженных частиц - радиационным бурям.
Радиационная обстановка вблизи Земли характеризуется постоянным присутствием здесь частиц радиационных поясов (РП), галактических космических лучей (ГКЛ), а также вторичной и альбедной радиации, возникающей при взаимодействии с атмосферой высыпающихся из поясов частиц и проникающих в глубь магнитного поля космических лучей. Во время солнечных и геомагнитных бурь солнечные энергичные частицы (СЭЧ) могут достигать малых высот, а также заполнять полярные шапки, создавая дополнительные радиационные эффекты в окружающей среде. ИСЗ КОРОНАС-Ф, благодаря полярному наклонению (82°) своей орбиты, позволил изучать все упомянутые выше компоненты радиации.
Наиболее мощные изменения радиационной обстановки в околоземном пространстве за последние годы были зарегистрированы во время экстремальных солнечных событий в ноябре 2001 г. и в октябре-ноябре 2003 г. (см. Панасюк и др., 2004; Веселовский и др., 2004). В них проявились многие характерные физические процессы, обусловившие изменения радиационного окружения Земли, которые мы и рассмотрим ниже.
ГАЛАКТИЧЕСКИЕ КОСМИЧЕСКИЕ ЛУЧИ
Проникая внутрь гелиосферы, ГКЛ подвергаются солнечной модуляции, которая на долговременной шкале проявляется в 11-летнем цикле изменения их потоков в соответствии с вариациями солнечной активности. Во время солнечных бурь ударные волны, сопровождающие корональные выбросы солнечной плазмы (КВМ), приводят к кратковременным изменениям потока ГКЛ в межпланетной среде типа Форбуш-эффекта. При проникновении ГКЛ с энергиями в сотни МэВ и ниже внутрь геомагнитного поля могут возникать дополнительные флуктуации потоков частиц. Это связано с тем, что во время геомагнитных бурь изменяется эффективность проникновения ГКЛ.
Частицы высокой энергии - протоны с Е > 75 МэВ и 200-300 МэВ - регистрировались прибором СОНГ на ИСЗ КОРОНАС-Ф (Кузнецов и др., 2007). На рис. 1 приводятся данные этого прибора по протонам с Е > 75 МэВ на разных L-оболочках вне Южной магнитной аномалии, наряду с показаниями нейтронного монитора на станции South Pole и данными ИСЗ Geostationary Operational Environmental Satellite (GOES-10) по протонам с Е > 700 МэВ во время геомагнитных бурь октября-ноября 2003 г.
На малых L проявились характерные для ГКЛ типы вариаций - это полусуточные вариации с амплитудой до 10%-15% и Форбуш-эффект, достигший амплитуды 30%. Если Форбуш-эффект, наблюдаемый на малых высотах, по сути является отражением процесса взаимодействия высокоскоростной ударной волны с потоком космических лучей в межпланетном пространстве, то полусуточные вариации были связаны, вероятно, с изменениями порога геомагнитного обрезания частиц в процессе их проникновения в глубь магнитосферы.
На этом фоне гораздо более мощными выглядели вариации потоков частиц на больших L, обуслов-
V V V
<n II
1Е+0
1Е-1
щ
-г,
I 'о
S>
о ЛГ1
Ч.
'! н
I1 .п
Jl •. I
Надоеда»
t
L = 3
L = 2.5
1Е+0
3 =
L
1Е-1
.5
= L
PQ
о
0 0
Л
3
0.04
0.03
ill * т • ] i 1* A
1Е-4 «
-I 10000
9000 ^
8000 I
0
- 7000
299 300 301 302 303 304 305 306 307 308 309
Дни 2003 г.
Рис. 1. Сравнение временного хода протонов с Ер > 75 МэВ на различных L по данным ИСЗ KOPOHAC-Ф, данным нейтронного монитора South Pole и ИСЗ GOES-ID. Проникновение СЭЧ заметно на L > 2.
ленные СЭЧ. Рассмотрим динамику СЭЧ внутри магнитосферы более подробно.
СОЛНЕЧНЫЕ ЭНЕРГИЧНЫЕ ЧАСТИЦЫ
Наиболее мощные потоки СЭЧ за весь период наблюдений на ИСЗ КОРОНАС-Ф наблюдались в период с 23 октября по 6 ноября 2003 г. (см. рис. 2). Анализ, проведенный в (Веселовский и др., 2004), показал, что мощные вспышки генерировались одной крупномасштабной активной областью на Солнце. При этом наиболее интенсивные и энергичные потоки СЭЧ дала вспышка 28 октября с рекордной скоростью распространения КВМ, достигшей 2459 км с-1 в 11.39 ИТ. Отметим, что полученные на ИСЗ КОРОНАС-Ф данные по СЭЧ в полярных шапках выявили принципиально разный характер распространения частиц в межпланетном пространстве. Если после вспышки 26 октября (происшедшей около 12ь ИТ) наблюдалась существенная анизотропия СЭЧ, свидетельствующая о
длительной эмиссии частиц и сравнительно большой их длине свободного пробега, то наблюдавшийся 2 ноября профиль энергетического распределения СЭЧ был типично диффузионный, с малой длиной свободного пробега для частиц малых энергий.
Генерация частиц во время наиболее мощного солнечного протонного события 28 октября происходила в две фазы. Об этом свидетельствует анализ данных по гамма-квантам, нейтронам и релятивистским электронам, регистрировавшимся прибором СОНГ на ИСЗ КОРОНАС-Ф (Веселовский и др., 2004). Одна из этих фаз - ускорение СЭЧ на ударной волне КВМ.
Используя данные по широтному ходу протонов высокой энергии во время развития протонных событий, удалось определить их энергетический спектр (рис. 3). Как это можно видеть из сопоставления энергетических распределений частиц для двух событий конца октября-ноября 2003 г., во всех
J, (см2 ср с)-1
1Е+3
1Е+2
1Е+1
1Е+0
1Е+4
1Е+3
1Е+2
1Е+1
1Е+0 1Е+5
1Е+4
1Е+3
1Е+2
1Е+1 1Е+3
1Е+2
1Е+1
1Е+0 1Е-1 1Е+4
1Е+3 1Е+2 1Е+1
1 2я3 4_5 6 3 (е > 1.6; р > 90 МэВ)
7 8
3 (е > 1.6; р > 23 МэВ)*
4 Т
' 4 т
>6
J_I_I_I_I_I_I_I_I_I_I_I
3р (1-5 МэВ)
\Г *
6 Ъ
1
J_I_I_I_I_I_I_I_I_I_I_I_I_I_I
3е (1.5-3.0 МэВ)
3е (0.3-0.6 МэВ) 4р кЭ
_1_I_1_
Ж_IV I V
J_I_I__1_
-Ж-
296 298 300 302 304 306 308 310 297 299 301 303 305 307 309 311
Дни 2003 г.
Рис. 2. Вариации потоков электронов и протонов СЭЧ по данным ИСЗ КОРОНАС-Ф в северной (точки) и в южной (кружки) полярных шапках во время экстремальных солнечных событий октября-ноября 2003 г. Светлые треугольники соответствуют солнечным вспышкам, наблюдавшимся ИСЗ КОРОНАС-Ф, после которых регистрировались СЭЧ.
наблюдались релятивистские протоны с энергией ~1 ТэВ и выше, ускоренные на ударных волнах.
Энергичные частицы, ускоряемые на Солнце и на ударных волнах, связанных с КВМ, проникают внутрь магнитосферы, заполняя не только полярные шапки, где магнитное поле ослаблено, но и области более низких широт в зависимости от жесткости частиц и уровня геомагнитной активности. Изучению проникновения СЭЧ в магнитосферу посвящен ряд работ (см., например, MorfШ, Scholer, 1973; Бирюков и др., 1983; Иванова и др., 1990). В них было показано смещение в сторону экватора
низкоширотной границы проникновения (Л°) солнечных частиц с увеличением геомагнитной активности. При этом также наблюдается асимметрия Л° по местному времени (MLT).
На ИСЗ КОРОНАС-Ф имелась возможность продолжить эти исследования и выявить ряд новых особенностей механизма проникновения частиц (см., Панасюк и др., 2004; Кузнецов и др., 2007). Среди них отметим следующие.
Исследования (см. Кузнецов и др., 2007) зависимости Л° для электронов и протонов от таких индексов геомагнитной активности как Хр и Dst показало
J (> Е) 1Е+1
1Е+0
1Е-1
1Е-2
1
\
\
о
1Е-3 1Е-1
1Е+0
1Е+1 Е, ГэВ
Рис. 3. Спектры релятивистских протонов для трех солнечных вспышек. 1 - 28 октября 2003 г. (~15 ч ИТ), 2 - 29 октября (~22 ч ИТ), 3 - 2 ноября ~ (19 ч ИТ).
отсутствие преимущественной корреляционной зависимости ни с одним из выбранных геомагнитных индексов во время сильных магнитных бурь (6 и 24 ноября 2001 г., 29 и 30 октября 2003 г.). Можно говорить лишь о тенденции смещения границы Л° с увеличением геомагнитной активности к меньшим широтам. Этот вывод наглядно демонстрируется данными по Л° для солнечных электронов и протонов, приведенными на рис. 4 совместно с данными по Ц,(, Кр и Б2.
Динамика границы проникновения Л° для СЭЧ отражает крупномасштабные изменения топологии магнитосферы. Вполне вероятно, что взаимосвязь между изменениями ионосферных токов на средних широтах (преимущественно описываемыми Кр-индексом) кольцевого тока на больших расстояниях токов в хвосте магнитосферы и на магни-топаузе (описываемыми В^-индексом) является более сложной, чем выбранная для анализа данных: в работе Кузнецов и др., 2007:
Л° = а + ЪВ + сКр.
Тем не менее отмечено, что корреляционная связь с геомагнитными индексами растет с увеличением энергии протонов, а для электронного компонента наилучшая связь обнаруживается с Кр-индек-сом.
Анализ данных ИСЗ КОРОНАС-Ф по проникновению СЭЧ продемонстрировал наличие вариаций Л° не только в связи с развитием глобальных геомагнитных бурь, но и во время изолированных
суббурь (см. Панасюк и др., 2004). С увеличением авроральной активности граница проникновения СЭч смещается в сторону экваториальных широт с последующим возвратом в исходное положение по мере затухания суббури. Этот фактор также должен сказаться на разбросе значений Л° при попытках поиска связи изменений в положении Л° и таких "глобальных" индексов, как и Кр.
РАДИАЦИОННЫЕ ПОЯСА
Динамика частиц радиационных поясов во время магнитных бурь определяется интегральным действием различных физичес
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.