КОСМИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ, 2012, том 50, № 1, с. 3-14
УДК 523.4-854
РЕЛАКСАЦИЯ ЭЛЕКТРОННОГО И ПРОТОННОГО РАДИАЦИОННЫХ ПОЯСОВ ЗЕМЛИ ПОСЛЕ СИЛЬНЫХ МАГНИТНЫХ БУРЬ
© 2012 г. Л. Л. Лазутин, Ю. И. Логачев, Е. А. Муравьева, В. Л. Петров
Научно-исследовательский институт ядерной физики им. Д.В. Скобельцына МГУ
lll@srd.sinp.msu.ru Поступила в редакцию 25.01.2010 г.
Во время сильных магнитных бурь в июле и ноябре 2004 г. потоки захваченных частиц, протонов и электронов мэвных энергий в радиационных поясах Земли выросли на порядки и затем уменьшались, оставаясь в течении нескольких месяцев на повышенном уровне. Эти возрастания позволили исследовать процессы релаксации радиационных поясов. Измерения энергичных частиц на низковысотных спутниках КОРОНАС-Ф и 8ЕКУ18-1 показали, что предсказания теории о скоростях питч-угловой диффузии выполняются не всегда, давая завышенные или заниженные оценки времени жизни энергичных частиц.
1. ВВЕДЕНИЕ
С момента открытия радиационных поясов Земли долговременные вариации потоков частиц в поясах исследовались как в теоретических, так и в экспериментальных работах и в общих чертах механизмы вариаций понятны. На внешних дрейфовых оболочках значительные изменения потоков энергичных электронов и протонов вызываются суббурями и умеренными магнитными бурями, на внутренних оболочках — сильными магнитными бурями. Возбужденные потоки частиц поясов постепенно уменьшается за счет питч-угловой диффузии в конус потерь, выноса на магнитопаузу и на внутренних оболочках — потерь на ионизацию. Теория питч-угловой диффузии была развита в семидесятых-восьмидесятых годах прошлого века [1, 2]. Эксперименты с искусственной инжекцией заряженных частиц позволили изучить процесс диффузии на внутренних оболочках и подтвердить основные моменты теории. На внешних оболочках богатый экспериментальный материал дают измерения на геостационарных спутниках. Здесь вместе с потерями наблюдается и рост интенсивности частиц за счет ускорения на волнах, радиальной диффузии крупномасштабных и локальных переменных электрических полях.
На внутренних оболочках процессы пополнения и потерь частиц уравновешены и хотя теоретически соотношения этих процессов понятны, подтвердить экспериментально результаты моделирования, разделить эти процессы, трудно. Во время сильных магнитных бурь структура радиационных поясов сильно меняется. На главной фазе преобладают потери частиц, на фазе восстановления — ускорение как протонов, так и электронов, исчезает зазор между электронными поя-
сами, появляются дополнительные максимумы, интенсивность повышается на несколько порядков. Возврат к нормальной структуре происходит медленно, месяцами, и носит сложный характер, где несколько механизмов питч-угловой диффузии конкурируют с процессами ускорения ( см. обзоры [3, 4] и ссылки в них). Теоретически эти процессы исследовались достаточно подробно, но экспериментальных работ, подтверждающих предсказания теории немного.
Серия сильных магнитных бурь в октябре-ноябре 2003, июле и ноябре 2004 года позволили детально изучить процессы происходящие в поясах во время сильных бурь по измерениям на низковысотных спутниках КОРОНАС-Ф (КФ) и 8ЕКУШ-1 (81) [5-8]. В настоящей работе исследована зависимость скоростей релаксации частиц после бурь в зависимости от энергии, дрейфовой оболочки (Ь) и времени, прошедшего после бури. Полученные результаты сравниваются с предсказаниями модельных расчетов.
2. ИЗМЕРЕНИЯ
Оба спутника имели полярную орбиту с высотой 500 и 1000 км соответственно. На каждом имелись спектрометры заряженных частиц, позволявшие измерять в нескольких каналах поток электронов с энергией от 0.3 до 7 МэВ и протонов от 1 до 50 МэВ. На указанных высотах на большинстве орбит измерялись потоки высыпающихся частиц и только при пролетах над Бразильской магнитной аномалией (БМА) захватывались отроги радиационных поясов. Для исследования динамики потоков частиц на избранных дрейфовых оболочках программа отбирала максимальное значение интенсивности за каждые сут-
Рис. 1
ки; это значение достигалось в одном из пролетов над БМА. Подробное описание аппаратуры дано в [9, 10].
2.1 Релаксация потоков электронов. На рис. 1 показаны радиальные (по Х-оболочкам) профили электронов до (пунктирные линии) и после (сплошные линии) сильной магнитной бури 22— 28.VII.2004 в двух энергетических каналах и одном КФ. До магнитной бури регистрируется стандартный профиль с максимумом внешнего пояса на Х = 4—6 и провалом между поясами в районе Х = 3. После бури интенсивность электронов растет на всех Х-оболочках до авроральной зоны включительно, провал исчезает, заполняется электронами, причем рост интенсивности электронов в канале 1.7 МэВ на Х = 3 превышает четыре порядка.
Поток электронов, регистрируемый КФ, на порядок ниже, чем на Б1, что соответствует распределению потока частиц вдоль силовой линии. При исследовании долговременных вариаций спад потоков частиц на КФ идет быстрее по причине трансформации питч-углового распределения в сторону роста питч-угловой анизотропии, и создается ложное впечатление исчезновения избыточного потока захваченных частиц. Поэтому чаще в данной работе используются данные S1, причем и здесь надо иметь в виду, что процесс потерь частиц за счет диффузии в плоскости экватора может идти медленнее, чем вблизи конуса потерь на высоте спутника. Следовательно, приводимые ниже оценки времени жизни частиц могут быть несколько занижены.
На рис. 2 показана трансформация радиальных профилей электронов во время магнитной бури 7—11.XI.2004 (спутник 67), состоявшей из двух бурь. В этом случае представлены данные одного канала электронов с энергией 1.7 МэВ, но показаны изменения профиля не только в начале и в конце, но и во время бури. В начальном, до бу-
Щ, (см2 с ср)-1 105 104 103 102 101
1 2 3 4 5 6 7 Х Рис. 2
ри, профиле кроме обычного максимума на Х = 4.5 виден максимум на Х = 2.8, где еще сохранился повышенный поток частиц после июльской магнитной бури. Второй профиль приходится на фазу восстановления первой бури, и третий профиль — на фазу восстановления после нового скачка кольцевого тока 11.XI. Здесь мы видим рост интенсивности электронов в широком диапазоне дрейфовых оболочек. Фаза восстановления затянулась до 20.Х1, и на этой стадии мы наблюдаем продолжение роста интенсивности электронов на внешних оболочках, тогда как на внутренних (Х ~ 2—4) начинается падение интенсивности, которое продолжается и после бури.
Таковы исходные потоки электронов, возросшие во время двух магнитных бурь, после которых начинается релаксация к нормальному состоянию радиационных поясов.
На рис. 3а, б приведен временной ход интенсивности электронов в четырех энергетических каналах на Х = 2.5 и 3 в пролетах над БМА (67). Приведен максимальный счет за каждые сутки с июля 2004 по февраль 2005 года включительно. В процессе возвращения радиационного пояса к спокойному уровню как правило можно выделить два этапа: начальный, сразу после заполнения пояса во время июльской и ноябрьской бурь, быстрый спад, за которым следует продолжительная релаксация с большими временами жизни. В некоторых случаях начальный, более быстрый, спад лучше описывается экспонентой =
= Щ0ехр(—Х/Х0), но в большинстве случаев характер спада описывается в степенном виде = = Щ0в—у*, где 1/у — характерное время (время жизни), на котором интенсивность падает в е раз.
На рис. 4 аналогичный график приведен для дрейфовой оболочки Х = 4. Здесь на медленный спад интенсивности накладываются быстрые кратковременные вариации, как в сторону паде-
Рис. 3
ния, так и возрастания интенсивности с характерными временами в несколько суток.
Кратковременные вариации растут с расстоянием от Земли и с уменьшением энергии электронов, что определенно указывает на их связь с ав-роральной активностью. Это же следует из сравнения с показанным в нижнем блоке рис. 4 временным ходом Кр-индекса магнитной активности. Этот тип вариаций достаточно хорошо описан в литературе, особенно по измерениям частиц на геостационарных спутниках, и мы не будем на них останавливаться.
Деление релаксации на два этапа отмечается в каналах 0.3 и 1.7 МэВ на Ь = 2-3.5, а в более энергичных каналах и на Ь = 4 это деление менее четкое.
Определенные отклонения от регулярного спада интенсивности происходили в январе 2005 г., когда наблюдалось три магнитных бури. В канале 3.4 МэВ на Ь = 2.5 и после первой, и после второй бури возросший поток сохраняется долго, тогда как на Ь = 3 виден устойчивый спад, который, однако, не достигает спокойного уровня за все 6 месяцев измерений. В канале 6.6 МэВ повышенный темп счета наблюдается в течении 1-2 месяцев после бури. Отметим также, что кратковременные возрастания в январе 2005 на Ь = 3 и 4 обязаны проникновению в магнитосферу солнечных электронов.
Еще один быстрый тип вариаций наблюдается во время умеренных магнитных бурь, в исследуемом интервале он наблюдался 30-31.Vn.2004 г. и 17-21.1.2005 г. Рост интенсивности в двух каналах
р с
м10 с
VII
50 VIII
100
150
IX
X
Рис. 5
XI
XII
200 I
Дни II
0.3—1.7 МэВ, вызванный усилением волновой активности, сопровождается заметным спадом интенсивности в канале 3.4 МэВ.
Этот эффект вызывается ионно-циклотрон-ными волнами, генерированными протонами радиационного пояса (ЕМГС^ауев). Динамика ча-
стиц во время августовской бури подробно исследовались в работе [11].
На рис. 5 временной ход в канале 1.7 МэВ (спутник 51) дан для всех трех Х-оболочек, что позволяет отметить одинаковую скорость спада во время второго этапа релаксации, которая про-
0
Время жизни, час 103
102
10
- Б з х х+ -Оп - 0.3 МэВ 1.7 МэВ в
: + + +
* □ X /Ч О
О н
: $ р ? 1 1 1 □ *
2.0
2.5
3.0 3.5 Рис. 6
4.0 Ь
сматривается и на фоне кратковременных вариаций. Повидимому питч-угловая диффузия, определяющая медленный спад интенсивности, происходит на близких по частоте ОНЧ-излучениях, распределенных по широкому диапазону Ь-обо-лочек. Такими свойствами обладают плазмосфер-ные шипения.
Таким образом, релаксация электронов после бури разделяется на два этапа, с быстрыми и медленными потеря
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.