Динамика электронного радиационного пояса во время магнитных возмущений и в спокойное время

В существующих обзорах по радиационным поясам (РП) [Parks, Winkler 1968; Vernov et al., 1969; Friedel et al., 2002; Millan, Thorne, 2007; Shprits et al., 2008а] достаточно подробно описывается как структура РП, так и его формирование. Согласно принятой теории [Тверской, 1964, 1965] , формирование РП объясняется сочетанием медленной радиальной диффузии электронов под действием небольших по величине импульсов магнитного поля с потерями в атмосфере из-за питч-угловой диффузии. В принципе, это объясняет наблюдаемую пространственную структуру захваченных электронов с провалом между внутренним и внешним РП.

Во время магнитных бурь этот стройный порядок нарушается, происходят динамические вариации, понижения и повышения потоков энергичных электронов. Потоки энергичных электронов-«киллеров» привлекают повышенное внимание исследователей, появляются работы, посвященные предсказанию их средних или пиковых значений [Li et al., 2001; Simms et al., 2016] (см. также обзор [Потапов, 2017] ).

Большое число работ посвящено анализу динамики РП во время магнитных бурь [Baker et al., 1997; Li et al., 1997; Reeves et al., 1998; Yu et al., 2015; Hwang et al., 2015; Turner et al., 2017] , среди них существенную часть составляют работы, выполненные в НИИЯФ МГУ [Вернов и др., 1965; Кузнецов и др., 1966; Бахарева, 2003; Иванова и др., 2000; Калегаев и др., 2015; Antonova, 2005; Lazutin, 2012; Kalegaev, Vlasova, 2014; Dmitriev et al., 2010, 2014; Slivka et al., 2006; Tverskaya et al., 2005; Vernov et al., 1969] . В связи с этим нам представляется целесообразным сделать обзор современных представлений о динамике РП. Заметим, что обзор создавался в значительной мере на основе работ, выполненных в НИИЯФ МГУ.

В обзоре мы сначала опишем динамику РП во время магнитных бурь, затем остановимся на механизмах пополнения и потерь энергичных электронов и в завершение рассмотрим поведение РП в спокойное время. Мы ориентируемся на читателя, знакомого с базовыми понятиями: с характером движения частиц и адиабатическими инвариантами, динамикой полей и токов во время магнитных бурь и т. п.

МАГНИТНЫЕ БУРИ

На рис. 1 приведены потоки энергичных электронов и протонов, измеренные на низковысотном спутнике SERVIS в период с 5 по 25 февраля 2004 г., в том числе во время магнитной бури 11.02.2004. Провалы интенсивности потоков наблюдаются во всех бурях, на всех оболочках РП, в широком диапазоне энергий и для частиц разных сортов. Вызы- ваются эти провалы преимущественно изменением структуры магнитосферы под действием так называемого Dst-эффекта. Этот эффект обязательно присутствует на главной фазе бури, но возможны и дополнительные неадиабатические потери, в частности сброс частиц в атмосферу. Если нет процессов неадиабатических (потерь или ускорений), конфигурация РП и потоки частиц после бури должны восстановиться в точности.

Однако зачастую этого не происходит. После бури поток электронов может как вернуться к до-буревому уровню, так и превысить его либо восстановиться не полностью. В известной работе [Reeves et al., 2003] бури поделены на эти три типа. На самом деле это деление условно (см. рис. 3, а , в в [Reeves et al., 2003] ). Если не обращать внимания на различие в значках, присвоенных автором, после бури наблюдается непрерывный ряд интенсивностей потоков электронов, меньших или больших по сравнению с добуревым значением. И создается этот ряд, на наш взгляд, различным соотношением потерь и возрастаний потока частиц во время бури: если потери превышают пополнения, поток восстанавливается не полностью, если не превышают — поток после бури будет больше добуревого.

АДИАБАТИЧЕСКИЕ ВАРИАЦИИ ( Dst -ЭФФЕКТ)

На главной фазе магнитной бури напряженность магнитного поля на внутренних силовых линиях падает. Дрейфовая оболочка, чтобы сохранить преж-

Рис. 1. Потоки электронов и протонов, измеренные на спутнике SERVIS-1 при пролетах указанных уровней L в Северном полушарии 5–25 февраля 2004 г. Магнитная буря с минимальным Dst =–110 нТл произошла 11.02.2004

уровень магнитного потока, смещается наружу, в область, где силовые линии более длинные, поэтому, чтобы сохранить второй инвариант — расстояние между зеркальными точками, зеркальные точки смещаются по силовой линии вверх. Понижение напряженности магнитного поля в новой, более высокой зеркальной точке приводит к уменьшению энергии частицы, поскольку должен сохраняться первый адиабатический инвариант, он же магнитный момент.

Этот эффект был впервые описан Мак-Илвейном [McIlwain, 1966] и позже в работе [Kim, Chan, 1997] назван Dst -эффектом. На главной фазе бури Dst -эффект всегда вызывает понижение интенсивности потоков электронов, которое служит основой для дополнительных неадиабатических эффектов.

На фазе восстановления магнитной бури должен произойти адиабатический возврат к добуревому состоянию, однако процессы потерь и ускорений уменьшат или увеличат число частиц, участвующих в процессе восстановления, что приведет к непрерывному ряду интенсивности потоков электронов.

Заметим, что рост давления солнечного ветра на начальной фазе магнитной бури, вызывающий не спад, как на главной фазе, а рост напряженности магнитного поля, вызовет обратный Dst -эффект — адиабатическое возрастание энергии захваченных в магнитную ловушку частиц и, соответственно, рост интенсивности их потоков. Часть близких к конусу потерь частиц из-за снижения положения зеркальных точек попадет в атмосферу и погибнет, но спутник, находящийся в РП, этой потери не зарегистрирует.

АДИАБАТИЧЕСКИЕ ВАРИАЦИИ.

АСИММЕТРИЯ УТРО—ВЕЧЕР

При изучении временного хода интенсивностей потоков электронов во время бури может возникнуть ложное впечатление исчезновения частиц из-за использования не изменяющейся во время бури траектории магнитного дрейфа, а L -координаты спокойного уровня возмущенности, которая обычно приводится в базе данных измерений на низковысотных спутниках.

На нашем рис. 1 (как и на многих рисунках из других работ) L используется как индикатор нормированного расстояния до вершины силовой линии, однако неправомерно использовать параметр L спокойного уровня возмущенности для описания динамики частиц в период магнитной бури. Поясним это утверждение конкретным примером.

В начале главной фазы бури асимметрия кольцевого тока создает ситуацию, когда регистрируется понижение потока электронов на вечерней стороне, в то время как на утренней поток остается невозмущенным (рис. 2). В работе [Lazutin, 2016] этот эффект получил простое объяснение — дрейфовая оболочка в ослабленном вечернем магнитном поле адиабатически смещается на меньшие широты. Поскольку на многих рисунках поток электронов представлен в зависимости от L -координаты, вычисленной для спокойного уровня магнитной активности,

Рис. 2. Шесть последовательных электронных профилей, зарегистрированных на вечерней и утренней стороне спутником SERVIS-1 в канале 0.3 МэВ на главной фазе магнитной бури 25.07.2004

Рис. 3. На главной фазе бури силовые линии А1 и В1 трансформируются в А2 и В2. Дрейфовые орбиты частиц переходят (по стрелкам) от А1 на В2, на экваторе — от Земли и к более низким широтам — у основания силовых линий а не для соответствующих моментов бури, можно рассматривать представленную картину как результат смещения дрейфовой оболочки к Земле.

Возникает кажущееся противоречие: вследствие Dst -эффекта дрейфовая оболочка уходит от Земли, а согласно только что изложенным соображениям она приближается к Земле. Что это — два разных адиабатических эффекта? Но так быть не должно. Объяснение противоречия приведено на рис. 3. Изменение магнитного поля на главной фазе магнитной бури действительно сдвигает дрейфовую оболочку на экваторе от Земли, но на малых высотах, вблизи основания силовой линии, из-за ее новой формы сдвиг дрейфовой оболочки происходит к более низким широтам.

Рассмотрим механизмы потерь и ускорений, работающие во время бури. Начнем с взаимодействия с волнами, которое может привести и к снижению, и к возрастанию потока энергичных электронов.

ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ЭЛЕКТРОНОВ

С ВЫСОКОЧАСТОТНЫМИ ВОЛНАМИ

Энергичные электроны могут эффективно взаимодействовать с плазменными шипениями внутри плазмосферы и с ОНЧ-излучением выше плазмо-

паузы. Взаимодействие приводит к диффузии и по питч-углам, и в пространстве скоростей, в результате чего происходят как сброс частиц в атмосферу и падение интенсивности потока, так и ускорение частиц, рост интенсивности потока и энергии электронов. Гирорезонанс частиц с учетом эффекта Доплера с волнами различных типов в диапазоне от 0.1 до единиц гирочастоты электрона, описанный в работах [Horne, Thorne, 1998; 2003] , исследовался также в многочисленных работах экспериментальной и теоретической направленности.

Изменения энергии и питч-угла частицы под действием резонанса с цугами ОНЧ-излучения вызывают блуждание частицы по питч-углам, что в итоге приводит к ее сбросу в конус потерь и гибели в атмосфере. Гибель электронов в атмосфере при взаимодействии с ОНЧ-излучением исследовалась в ряде теоретических работ (например, [Shprits et al., 2008b] ) и подробно описана в работах, основанных на измерениях, причем в некоторых из них гибель в атмосфере рассматривается в качестве главного механизма, вызывающего падение потока электронов после бури [Захаров, Кузнецов, 1978; Summers et al., 2004; Meredith et al., 2007; Xiao et al., 2014] .

В других статьях демонстрируется значимость питч-угловой диффузии по скоростям для возрастаний потоков электронов [Summers et al., 1998; Horne et al., 2005; Демехов и др., 2006; Foster et al., 2017] . Ускорение до энергий порядка 1 МэВ наблюдается в РП с максимумом на L ~4–7. Условием эффективного роста потока электронов является высокая суббуревая активность, в результате которой появляются свежеускоренные электроны с энергией 20–100 кэВ, выступающие в качестве исходного потока, и наблюдается большая мощность хоровых излучений.

Pелятивистские электроны ускоряются за счет паразитной диффузии на волнах, генерированных менее энергичными электронами. Такое двухступенчатое ускорение описано, например, в работах [Jaynes et al., 2015; Foster et al., 2017] .

По оценкам [Summers et al., 2004] , характерное время ускорений и потерь примерно одинаково и составляет около суток, но сильно варьирует в зависимости от параметров среды.

Экзотическим, но тем не менее реальным является процесс сброса электронов из-за паразитного резонанса с электромагнитными ионно-циклотронными (EMIC) волнами [Summers, Thorne, 2003; Лазутин и др., 2011; Ni et al., 2015; Kubota, Omura, 2017] . EMIC-волны создаются протонами кольцевого тока на главной фазе бури. Поскольку циклотронная частота протонов намного меньше циклотронной частоты электронов, взаимодействие происходит вследствие доплеровского смещения частоты при встречном движении волны и частицы. При этом продольная скорость электрона должна быть очень большой, и в результате наблюдается сброс только электронов с энергией несколько МэВ.

ПОТЕРИ НА МАГНИТОПАУЗЕ

Достаточно убедительные аргументы в пользу механизма гибели электронов на магнитопаузе приводились в работах [Dmitriev, Chao, 2003; Shprits et

al., 2006, Millan, Thorne, 2007; Kim et al., 2008; Saito et al., 2010; Matsumura et al., 2011; Turner et al., 2012; Hudson et al., 2014; Lazutin, 2016] . В области квазизахвата дрейфовые оболочки не замкнуты, на ночной стороне электроны дрейфуют с сохранением адиабатических инвариантов до утренней, протоны — до вечерней границы магнитосферы — магнитопаузы (на дневной стороне наоборот), после чего уходят с замкнутых силовых линий в турбулентный магнитослой. Этот непрерывный процесс истечения электронов из РП усиливается на главной фазе магнитной бури, когда Dst -эффект сдвигает дрейфовые оболочки электронов от Земли [Reeves et al., 2003] . Кроме того, магнитные бури часто сопровождаются резкими возрастаниями плотности и скорости плазмы солнечного ветра, что приводит к быстрому сдвигу магнитопаузы к Земле и усилению потерь электронов из внешней магнитосферы [Dmitriev, Chao, 2003] .

Вследствие питч-угловой диффузии небольшая часть электронов (несколько процентов) может вернуться из магнитослоя на дрейфовые орбиты, о чем свидетельствует так называемый эффект дрейфового эха [Vampola, Korth, 1992] , однако большая часть частиц уходит в хвост магнитосферы [Дайбог и др., 2015] и в межпланетное пространство.

В результате область квазизахвата должна быстро опустеть, однако, как видно по измерениям на геостационарной орбите (см., например, рис. 4), она не пустеет благодаря прежде всего встречному процессу ускорения, а при отсутствии оного — благодаря диффузии частиц из области максимума пояса — области более близкой к Земле, обратной радиальной диффузии от Земли. Радиальная диффузия из области с большим потоком частиц в область с меньшим описана, например, в [Shprits et al., 2006] . В результате концентрация электронов в РП уменьшается, если, конечно, нет пополнения вследствие ускорения частиц. Интервалы медленного спада интенсивности потоков электронов видны на рис. 4, причем в эти временные интервалы K р -индекс низкий, суббуревая активность отсутствует. В остальное время пополнение популяции электронов за счет суббуревой активности маскирует этот процесс.

ПРОЦЕССЫ УСКОРЕНИЯ. МЕДЛЕННЫЙ Е х В-ДРЕЙФ

Существует большое разнообразие механизмов ускорения энергичных электронов в магнитосфере. Выше уже говорилось, что ускорение электронов может происходить при резонансе с ОНЧ-волнами. Наряду с циклотронным резонансом можно ожидать возникновения дрейфового резонанса с пульсациями типа Рс5 магнитосферного происхождения или пульсациями в солнечном ветре с периодом порядка нескольких минут. Об ускорении такого типа говорится, в частности, в работах [Elkington et al., 1999; Ukhorskiy et al., 2006] . Более быстро и эффективно работает ускорение электронов вследствие радиального электрического дрейфа или заброса в область более сильного магнитного поля. Крупномасштабное электрическое поле своим происхождением обязано солнечному ветру. В индексе Акасофу, отража-62

Рис. 4. Потоки электронов и индексы магнитной активности (умеренные возмущения): «синусоидальные» вариации потока электронов — проявление асимметрии день—ночь магнитного поля магнитосферы; 1 — спад потока электронов на главной фазе бури, 2 — потери электронов на магнитопаузе, 3 — рост потока вследствие радиального дрейфа из центра РП

Рис. 5. Сдвиг низкоширотного склона РП к Земле во время цепочки магнитных бурь в июле 2004 г.

ющем эффективность воздействия солнечного ветра на магнитосферу Земли, присутствуют скорость и величина вертикальной составляющей межпланетного магнитного поля.

Направленное с утра на вечер крупномасштабное конвективное электрическое поле раскручивает конвективный вихрь в хвосте магнитосферы. Проникает это поле и в авроральную магнитосферу, и во внешний РП, благодаря ему частицы РП ускоряются электрическим дрейфом, о чем имеется достаточно много свидетельств [Tverskaya et al., 2005; Califf et al., 2017; Claudepierre et al., 2017; Millan, Baker, 2012; Turner et al., 2017]. В работе [Califf et al., 2017] утверждается, что ЕхВ-дрейф эффективен до энергий 500 кэВ, тогда как для электронов больших энергий надо учитывать дополнительные механизмы. Правда, авторы этой работы в качестве исходного источника рассматривают электроны плазменного слоя хвоста магнитосферы, энергия которых на два порядка меньше энергии суббуревых авроральных электронов. Особенно мощное ускорение и сохраняющийся на много дней повышенный поток частиц наблюдаются в результате цепочек следующих одна за другой магнитных бурь. Такой необычный случай описан в работах [Kuznetsov et al., 2009; Yang et al., 2014]. По данным первой из них мы показываем на рис. 5, как сдвигается низкоширотная граница захваченных в РП электронов и протонов (в эти дни РП был заполнен солнечными протонами). Сдвиг к Земле происходит под действием ЕхВ-дрейфа, что подтверждается одинаковой скоростью для частиц всех энергий и типов.

Сдвигаясь в область более высокой напряженности магнитного поля, частицы увеличивают энергию, что вызывает рост потока частиц. Рисунок 6 [Лазутин и др., 2012] показывает, что РП долго освобождается от такого переполнения. Заметим, что сильные бури могут приводить к образованию дополнительных поясов энергичных электронов в районе провала, которые также существуют месяцами [Вернов и др., 1965; Кузнецов, 1966; Логачев, Лазутин, 2012] .

ПРОЦЕССЫ УСКОРЕНИЯ.

ИМПУЛЬСНЫЙ Е х В-ЗАБРОС

Электрическое поле может быть также кратковременным, индукционным, вызванным быстрым изменением магнитного поля в момент SC или суббуревой активизации. Заброс электронов и протонов импульсом SC вглубь РП, обнаруженный при измерениях на спутнике CRRES [Li et al., 1993] 24 марта 1991 г., проанализирован в работе [Павлов и др., 1993] . Импульс SC двойной — вслед за положительным импульсом следует отрицательный, поэтому, если частицы не успеют перенестись магнитным дрейфом на ночную сторону, возрастание их энергии

Рис. 6. Релаксация избыточного потока электронов после июльских бурь 2004 г.

(и интенсивности потока) будет ликвидировано адиабатически. Частицы же, полупериод дрейфа которых составляет 1–3 мин, перейдут на ночную сторону и там тоже испытают радиальный дрейф с ускорением под действием отрицательного импульса. Тем самым устанавливается нижний предел энергий частиц, для которых механизм будет работать, — порядка нескольких МэВ. Если учесть, что большие импульсы SC (от 50 нТл и выше) происходят не чаще двух раз в год, заброс электронов с энергией несколько МэВ импульсом SC на большую глубину не играет существенной роли в динамике РП.

Гораздо чаще имеет место импульсная диполи-зация магнитного поля в момент брейкапа или повторной активизации суббури. Она приводит к тому, что наряду с возрастанием потока электронов низких (до нескольких кэВ) энергий, ответственными за вспышки полярных сияний и ускоряемых продольным электрическим полем, в авроральной магнитосфере наблюдается импульсное возрастание потока энергичных электронов. Характеристики этих возрастаний хорошо и давно изучены и по аэростатным [Anderson, 1965] , и по спутниковым наблюдениям, в частности по измерениям на спутнике CREES в экваториальной плоскости. Как правило, эти электроны появляются в области квазизахвата, имеют энергию в диапазоне 20–200 кэВ и являются причиной последующего ускорения радиальным Е х В -дрейфом, о котором говорилось выше [Tang et al., 2016] .

Вместе с тем во время магнитных бурь, когда область суббуревых активизаций смещается к Земле, суббуревой импульс электрического поля забрасывает электроны в центр РП, в область большой напряженности магнитного поля, и предельная энергия свежеускоренных электронов может достигать нескольких МэВ [Лазутин, 2013] . В результате увеличивается градиент потока электронов на внешнем склоне РП и в области квазизахвата наблюдается медленный рост потока частиц за счет дрейфа наружу. Ускорение электронов через суббуревой заброс рассматривалось также в работах [Kabin et al., 2017; Gabrielse et al., 2016, 2017] .

Нишида [Nishida, 1976] выдвинул идею «рециркуляции» электронов, согласно которой электроны, единожды ускоряясь при электрическом дрейфе, вновь переходят на более далекую силовую линию и так ускоряются многократно. Идея, выдвинутая для магнитосферы Юпитера, нашла сторонников, применивших ее для земной магнитосферы [Baker et al., 1997] .

В работе [Zhenpeng Su et al., 2014] подчеркивается различие между субрелятивистскими ( < 0.1 МэВ) и релятивистскими (2–5 MэВ) электронами: первые обеспечивают до 100 % возрастаний потока за счет заброса вглубь РП, вторые лишь 20 %, при этом возрастание происходит за несколько минут. По расчету, взаимодействие с хорами обусловливает 60–80 % возрастаний потока энергичных (0.2–5.0 MэВ) электронов, происходящих за более длительное время — ~6 ч. Аналогичную разницу в поведении электронов разных энергий выявил статистический анализ в работе [Ying Xiong et al., 2015] : поток энергичных электронов с энергией 0.3–2.5 MэВ возрастает во время 87 % бурь, тогда как поток электронов с энергией 2.5–14 MэВ только в 35 % бурь.

РАДИАЛЬНЫЙ ПЕРЕНОС

Радиальный перенос, заброс, инжекция, диффузия — названий и механизмов довольно много, и чтобы не запутаться самим и не запутать читателей, изложенное выше перечислим коротко.

К Земле поток частиц переносится с ускорением импульсной суббуревой инжекцией и Е х В -дрейфом в крупномасштабном электрическом поле во время магнитной бури, радиальной диффузией на волнах и на магнитных импульсах. Последний механизм (самый медленный, согласно [Тверской, 2004] ) ответственен за формирование электронного радиационного пояса.

По окончании главной фазы бури наблюдается возвратный адиабатический перенос к Земле.

Кроме того, и во время бури, и в спокойный период наблюдается непрерывный поток электронов от Земли в результате дрейфа из-за отрицательного радиального градиента захваченных частиц.

Рис. 7. Поток электронов в двух энергетических каналах, измеренный на геостационарном спутнике GOES-11, и индексы магнитной активности (последняя четверть 2009 г.)

СПОКОЙНАЯ МАГНИТОСФЕРА

Чередование перечисленных выше процессов приводит к тому, что внешний электронный радиационный пояс все время «дышит», причем меняется не только интенсивность потоков его населяющих частиц, но и размеры самого РП. Наиболее отчетливо видны эти вариации в зоне квазизахвата.

Пример измерений потоков электронов на геостационарном спутнике вместе с индексами магнитной активности приведен на рис. 4, на котором мы отметили несколько характерных вариаций потоков электронов. Быстрая квазигармоническая вариация с периодом 24 ч (период обращения спутника) связана с асимметрией магнитосферы день—ночь. Помимо быстрого адиабатического падения интенсивности потока электронов на главной фазе бури (1), мы видим интервалы с медленным падением интенсивности (2) в периоды низкой суббуревой активности и, наоборот, ее медленного роста (3), который не стимулируется сиюминутной активностью, но является следствием градиентного радиального дрейфа наружу из более глубоких областей РП (3).

Как правило, эти вариации кратковременны, спады интенсивности потока компенсируются возрастаниями и на маcштабах порядка месяца стабильность РП сохраняется. Вместе с тем возможны и долговременные опустошения РП, о которых говорилось в ряде работ. Так, в работе [Jaynes et al., 2014] долговременное понижение потока электронов РП объясняется тем, что в спокойный период, когда нет ускорения, все определяют потери за счет высыпания электронов 700 кэВ – 2 MэВ (до 92 % и более). В работе [Ukhorskiy et al., 2015] , напротив, отмечается, что потери на магнитопаузе отвечают за большую часть потерь на L >5, тогда как на меньших L спад адиабатический. Даже в годы минимума солнечной активности уровень магнитных возмущений остается достаточным, чтобы замаскировать этот процесс опустошения внешнего РП, и только в особенно

Рис. 8. Распределение уровней потока электронов в годы максимальной (2004 г.) и минимальной (2008–1010 гг.) активности глубоком минимуме 2009 г. наблюдалось существенное опустошение [Kataoka, Miyoshi, 2010; Li et al., 2011; Lee et al., 2013; Lazutin, 2017]. Магнитная активность в эти годы действительно была очень низкой, как следует из распределения числа дней с высоким и низким значением Kр-индекса.

Из рис. 7 видно, что интервалов медленного понижения потока электронов стало намного больше, и они, естественно, совпадают с периодами низкой суббуревой активности. Наконец, опустошение РП обнаруживается при сравнении гистограмм распределения дней с разными уровнями потока электронов в 2009 г. с годами более высокой магнитной активности (рис. 8). Мы говорим об опустошении всего РП, поскольку понижение потока частиц на периферии РП приводит, вследствие диффузии, к опустошению РП в целом.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В свободное от магнитных возмущений (суббурь) время внешний электронный радиационный пояс постепенно опустошается. Процесс этот разви- вается на внутренних оболочках РП вследствие сброса частиц в атмосферу и в зоне квазизахвата из-за того, что дрейфовые оболочки электронов там не замкнуты, что приводит к потерям на магнитопаузе. Область квазизахвата опустошается не сразу благодаря радиальной диффузии частиц наружу из центра РП. Процесс опустошения мало заметен в обычные годы вследствие пополнения свежеускоренными частицами, но в годы экстремально низкой активности приводит к существенному понижению численности электронной популяции РП.

На главной фазе магнитной бури основной причиной понижения интенсивности потоков электронов является адиабатическое охлаждение, связанное с сохранением адиабатических инвариантов. Дополнительной причиной является сброс электронов из РП в атмосферу и на магнитопаузу. В результате интенсивность потоков электронов в РП понижается. На графиках измерений на низковысотных спутниках часто используется L -координата, вычисленная для невозмущенной конфигурации магнитного поля магнитосферы. В этих случаях надо помнить, что такое представление не отражает реальную дрейфовую траекторию.

Степень восстановления потока электронов после бури определяется соотношением возрастаний и потерь, и значения потока составляют непрерывный ряд от низкого до сильно повышенного.

Возрастания потока электронов складываются из следующих процессов:

• •    Быстрый Е х В -заброс электронов, сопровождаемый ростом энергии, глубоко к Земле импульсным индукционным электрическим полем суббуревой активизации во время магнитной бури.

• •    Этот всплеск интенсивности потока авроральных электронов служит основой для второго, более медленного возрастания потока электронов в РП в результате электрической инжекции к Земле крупномасштабным электрическим полем солнечного ветра. Цепочка из нескольких бурь иногда может увеличить на несколько порядков поток электронов, и это переполнение РП может рассеиваться месяцами. Кроме того, возможно появление дополнительных РП в районе провала.

На периферии РП, в области квазизахвата, возрастание потоков частиц обеспечивается обратным от Земли дрейфом энергичных электронов, который пополняет с задержкой 2–3 сут область квазизахвата (геостационарную область).

Падение интенсивности потоков электронов в РП происходит преимущественно в результате потерь на магнитопаузе, которые усиливаются на главной фазе бури из-за адиабатического выноса дрейфовых оболочек и в периоды низкой суббуревой активности. Во время экстремально низкой активности 2009 г. этот механизм привел к существенным потерям частиц РП.

Резонанс электронов (циклотронный, дрейфовый) с ОНЧ-излучением и пульсациями приводит как к их питч-угловой диффузии в конус потерь и гибели в атмосфере, так и к возрастанию потока энергичных электронов при паразитном резонансе на излучении, создаваемом большим потоком менее энергичных частиц.

Сочетание этих механизмов потерь и возрастаний создает индивидуальный характер развития радиационного пояса во время каждой магнитной бури.