Частицы высоких энергий в магнитосфере Земли
Частицы высоких энергий в магнитосфере Земли
Плазмасфера Земли содержит два электронных радиационных пояса (рис. 1), один из которых расположен ниже L ≈ 2 (L– параметр Мак-Илвайна), и известен как внутренний пояс. Второй, внешний пояс расположен выше L ≈ 3.5. Ввиду наличия магнитной аномалии в южной части Атлантического океана захваченные электроны и протоны проникают глубже в атмосферу в этом регионе.
Процесс распада нейтронов альбедо космических лучей является ответственным за наличие частиц с энергиями 100 МэВ в магнитосфере. В этом процессе при взаимодействии первичных космических лучей с остаточной атмосферой часть обратно рассеянных нейтронов распадается на протоны и электроны. Вторым источником пополнения радиационных поясов является прямое проникновение и захват солнечных протонов во время солнечных протонных событий и геомагнитных бурь. Третьим источником частиц в радиационных поясах является транспортировка протонов и электронов поперек силовых линий (радиальная диффузия) на скачках геомагнитного поля.
Рис. 1. Схематические изображения электронных радиационных поясов Земли
Электроны во внутреннем поясе имеют время жизни от нескольких месяцев до нескольких лет. Потоки могут варьировать только во время интенсивных геомагнитных возмущений. Состояние внешнего радиационного пояса подвергается значительным вариациям и контролируется геомагнитной активностью. Он состоит из релятивистских электронов и различных ионов с энергиями ≈ 10 кэВ–10 МэВ. Источниками электронов является ускорение и радиальная диффузия поперек силовых линий магнитного поля. Недавние наблюдения пиков пространственной плотности во внутренней области вблизи L = 4.5 указали на реализацию механизма локального ускорения.
В локальных механизмах взаимодействие типа «волна-частица» является главным. Вклад в локальное ускорение вносят, главным образом, вистлеры и хоры. В этом механизме энергия переходит от большого числа низкоэнергетических электронов с малыми питч-углами к фракции частиц с большими питч-углами, ускоряя их до больших энергий. Источником низкоэнергетических электронов ( ≈ 10 кэВ) являются электроны плазменного слоя, инжектированные на низкие L−оболочки конвективными (и индуктивными) электрическими полями во время суббурь. В результате такой инжекции в область большей напряженности магнитного поля и анизотропного распределения частиц развивается генерация вистлеров за счет Доплер-смещенного циклотронного резонанса. Волны усиливаются за счет рассеянных низкоэнергетических электронов с малыми питч-углами, и резонируют с более высокоэнергетическими электронами с большими питч-углами. В результате последние ускоряются.
Рассеяние и потери энергичных электронов из области 2 ≤ L ≤ 3 создают зазор, характеризующийся отсутствием энергичных электронов, создавая два устойчивых электронных радиационных пояса. Высокоэнергичные электроны в области зазора рассеиваются широкополосной вистлерной модой излучений и теряются из плазмасферы. Во время интенсивных магнитных бурь сильные эрозии плазмасферы заставляют плазмапаузу проникать в область зазора между поясами. Она может содержать новый слой энергичных электронов. Зазор может заполняться электронами на разные периоды: от нескольких суток до нескольких месяцев, в зависимости от мощности солнечной вспышки, параметров солнечного ветра и степени геомагнитной возмущенности (рис. 2).
Рис. 2. Вариации электронов с энергиями ∆Е = 2−6 МэВ во внешнем радиационном поясе и заполнение зазора после экстремальной бури октября 2003 г. по данным ИСЗ SAMPEX.
Рис. 3. Интегральные потоки электронов, измеренные спутником CRRES на протяжении 14-месячного периода с июля 1990 г. до октября 1991 г. для 3−х значений пороговых энергий: 0.875, 6 и 13 МэВ.
Примером импульсного ускорения частиц и заполнения зазора между внешним и внутренним поясами было событие 24 марта 1991 г. благодаря межпланетной ударной волне, генерированной корональным выбросом массы. Магнитопауза была сжата внутрь орбиты геосинхронного спутника, генерируя новый электронный и протонный пояса с энергиями Е > 13 МэВ в области зазора (рис. 3). Ультрарелятивистские электроны просуществовали в области зазора между поясами много месяцев.
В энергетических спектрах электронов внутреннего радиационного пояса наблюдаются пики интенсивности. Представленные на рис. 4, 5 и 6 измерения мультипиковых спектров осуществлены на спутниках S81-1 в 1982 г., Demeterв 2004 г. и VanAllenProbeв 2013 г. в различные периоды геомагнитной возмущенности.
Рис. 4. Пики интенсивности в энергетических спектрах электронов в области Бразильской аномалии по измерениям на ИСЗ S81-1в 1982 г.
Рис. 5. Мультипиковая структура энергетических спектров электронов по измерениям на спутнике Demeterdв 2004 г.
Рис. 6. Мультипиковая структура энергетических спектров электронов во внутреннем радиационном поясе по измерениям на ИСЗ VanAllenProbeв 2013 г. в геомагнитно спокойные и возмущенные периоды.
В период минимума 11-летнего цикла солнечной активности обнаружено существование дополнительного внутреннего электронного радиационного пояса на L ≈ 1.6 (рис. 7) по данным спутникового телескопа электронов и протонов СТЭП-Ф на борту низкоорбитального ИСЗ «КОРОНАС-Фотон». Даже при минимальных вариациях геомагнитного поля в 2009 г., граничащих с их отсутствием, дополнительный внутренний пояс регистрировался прибором СТЭП‑Ф в низкоэнергетическом диапазоне электронов Е = 0.18-0.51 МэВ. Во всех случаях и основной внутренний, и дополнительный пояс регистрируются на долготах, не совпадающих с долготами Бразильской магнитной аномалии. Всплески интенсивности частиц в обоих внутренних радиационных поясах происходят на разных магнитных оболочках, о чем свидетельствуют разные отношения напряженностей магнитного поля В/В0 в точке измерения и на геомагнитном экваторе для данной силовой линии.
Рис. 7. Пример регистрации прибором СТЭП-Ф 3-х радиационных поясов 5-8 мая 2009 г.
Ежедневное картографирование в единицах спектральной плотности потоков субрелятивистских электронов на высоте 550 км (рис. 8) позволяет следить за космической погодой в части радиационной обстановки во внутренних слоях земной магнитосферы.
Рис. 8. Примеры картографирования радиационной обстановки по данным прибора СТЭП-Ф.
Совместный анализ данных, накопленных прибором спектрометром частиц СТЭП-Ф и солнечным рентгеновским спектрофотометром SphinXна борту ИСЗ «КОРОНАС-Фотон» определил наличие направленных потоков частиц в отрогах внешнего и внутреннего радиационных поясов Ван Аллена, заметное различие в наклонах энергетических спектров электронов в поясах и в области Бразильской магнитной аномалии. Во время слабой геомагнитной бури 7–14 мая 2009 г. оба прибора наблюдали двугорбую структуру внешнего радиационного пояса Земли (рис. 9,10). В начальной фазе бури превалировали процессы быстрой радиальной диффузии узконаправленных потоков электронов низких энергий из пограничных слоев магнитосферы Земли в область стабильного захвата частиц. Во время главной фазы бури питч-угловое рассеяние частиц обусловило опустошение внешнего радиационного пояса Ван Аллена, которое наблюдалось как на низких высотах, так и на высотах геостационарных спутников. Фаза восстановления бури сопровождалась сильными ускорительными процессами частиц во внутренних слоях магнитосферы, расщеплением внешнего пояса по двум дрейфовым оболочкам и питч-угловым рассеянием ускоренных электронов, не попавших в конус стабильного захвата.
Рис. 9. Вариации потоков электронов на геостационарной орбите по данным спутников GOES-10 и GOES-11 (а) и на высоте 550 км по данным прибора СТЭП-Ф в диапазонах Ее = 0,18–0,51 МэВ (б) и Ее = 0,55–0,95 МэВ (в); Dst-индекс (г) в период с 1 по 20 мая 2009 г.
Рис. 10. Параметры солнечного ветра (а, б) и вариации низкоэнергетических электронов по данным детектора рентгеновского спектрофотометра SphinX (в) в период с 1 по 14 мая 2009 г.
Литература.
1. Horne R. Acceleration of killer electrons // Nature. Physics. ‑ September 2007. ‑ Vol.3. ‑ P. 590-591.
2. Hudson M.K., Kress B.T., Mueller Hans-R, Zastrow J.A., Blake J.B. Relationship of the Van Allen radiation belts to solar wind drivers // Journ. Atmosph. andSol-Terr. Phys. – 2008. – P. 708-729.
3. Datlowe D.W., Imhof W.L., Gaines E.E., Voss H.D. Multiple Peaks in the Spectrum of Inner Belt Electrons //Journ. Geophys. Res.-SpacePhys. – 1985. ‑ Vol. 90. ‑ No. A9. – P. 8333-8342.
4. Sauvaud J.A., Moreau T., Maggiolo R., Treilhou J.-P., Jacquey C., Cros A., Coutelier J., Rouzaud J., Penou E., Gangloff M. High-energy electron detection onboard DEMETER: The IDP spectrometer, description and first results on the inner belt // Planet. Space Sci. – 2006. – Vol. 54. – P. 502-511.
5. Okhorskiy A.Y., Sitnov M.I., Mitchell D.G., Takahashi K., Lanzerotti L.J., B.H. Mauk B.H. Rotationally driven “zebra stripes” in Earth’s inner radiation belt // Nature. Letter. – 20 March 2014. – No. 507. – P. 338-340.
6. Дудник А.В. Исследование радиационных поясов Земли в мае 2009 года на низкоорбитальном спутнике с помощью прибора СТЭП-Ф // Космічна наука і технологія. – 2010. ‑ Т. 16, № 5. ‑ С. 12–28.
7. Dudnik A.V., Persikov V.K., Zalyubovsky I.I., Timakova T.G., Kurbatov E.V., Kotov Yu.D., Yurov V.N. High-sensitivity STEP-F spectrometer–telescope for high-energy particles of the CORONAS-PHOTON satellite experiment // Solar Syst. Res. – 2011. ‑ Vol. 45, No. 3. ‑ pp. 212–220.
8. Дудник А.В., Подгурски П., Сильвестер Я., Гбурек С., Ковалински М., Сиарковски М., Плоциеньяк С., Бонкала Я. Исследования электронных поясов в земной магнитосфере с помощью рентгеновского спектрофотометра SphinXи спутникового телескопа электронов и протонов СТЭП-Ф: предварительные результаты //Космічна наука і технологія". – 2011. – Т. 17, № 4. ‑ С. 14-25.
9. Dudnik O.V., Podgorski P., Sylwester J., Gburek S., Kowalinski M., Siarkowski M., Plocieniak S., Bakala J. X-Ray Spectrophotometer SphinX and Particle Spectrometer STEP-F of the Satellite Experiment CORONAS-PHOTON. Preliminary Results of the Joint Data Analysis // Solar Syst. Res. – 2012. ‑ Vol. 46, No. 2. ‑ pp. 160–169.
10. Dudnik O.V., Sylwester J., PodgórskiP. Properties of magnetosperic high energy particles based on analysis of data from STEP-F and SphinX instruments aboard the “CORONAS−PHOTON” satellite // In “Space Research in Ukraine, 2012−2014. The Report to the COSPAR”. (Kyiv: Publ. House “Akademperiodika”, ed. by O.P. Fedorov). – 2014. ‑P. 53-61.
11. Дудник А.В., Сильвестер Я., Ковалински М., Подгурски П. Двугорбый профиль внешнего радиационного пояса Земли по данным спутниковых приборов СТЭП-Ф и SphinX // в “Космічні дослідження в Україні. 2014−2016. Звіт до COSPAR”. Під ред. Федорова О.П., Видавничий дім “Академперіодика”, Київ. – 2016. ‑ С. 22-24.
12. Dudnik O.V., Sylwester J., Podgórski P. Combined study of radiation belts by the satellite particle telescope STEP-F and solar soft X-ray photometer SphinX during recent deep minimum of solar activity // Proceedings of 23rd National Solar Physics Meeting. ‑ 2016. – Publ.: Slovak central observatory Hurbanovo. ‑ P. 1-6.