Связь динамики внешнего радиационного пояса Земли с параметрами солнечного ветра в минимуме активности по данным прибора ЭМП на борту ИСЗ «Коронас-Фотон»

Данные о вариациях потоков релятивистских электронов внешнего радиационного пояса Земли ( РПЗ ), в значительной мере определяющих радиа ционную обстановку в околоземном космическом пространстве ( ОКП ), в периоды минимума солнеч ной активности ( СА ) необходимы как для фунда ментальных научных исследований , так и при реше нии прикладных задач . Несмотря на существование в прошлом и настоящем значительного количества космических аппаратов ( КА ), позволяющих полу чать информацию о вариациях потоков и спектров заряженных частиц в ОКП ( таких , например , как GOES, POES, SAMPEX), проблема отслеживания динамики релятивистских электронов на малых вы сотах остается весьма актуальной . Это связано с нерешенной до сих пор проблемой ускорения элек тронов до релятивистских энергий в магнитосфере Земли [Friedel et al., 2002; Reeves et al., 2003 и ссыл ки там ] и с необходимостью анализа зависимости частоты сбоев работы космической аппаратуры во время интенсивных возрастаний потоков релятиви стских электронов от геомагнитных возмущений [ Романова и др ., 2005].

Одной из основных научных задач эксперимента, проводимого сотрудниками НИИЯФ МГУ при помощи прибора «Электрон-М-Песка» на борту искусственного спутника Земли (ИСЗ) «Коронас-Фотон», третьего космического аппарата серии «Коронас» (Комплексные орбитальные наблюдения активности Солнца, перевод с англ.), являлось изучение динамики потоков релятивистских электронов в магнитосфере Земли. Вследствие того, что функционирование ИСЗ «Коронас-Фотон» пришлось на минимум СА, данная задача стала фактически главной, поскольку две другие – мониторинг солнечных космических лучей и изучение вариаций границ области проникновения СКЛ в магнитосферу Земли во время геомагнитных возмущений – оказались неактуальными из-за полного отсутствия вспышек на Солнце.

Эксперимент

Прибор «Электрон-М-Песка», созданный в НИИЯФ МГУ и установленный на борту КА «Коро-нас-Фотон», предназначался для регистрации потоков электронов, протонов, альфа-частиц и ядер группы CNO [4]. Данные измерений позволяют получать информацию о динамике частиц космических лучей и радиационных поясов Земли и дают возможность обеспечить непрерывный мониторинг радиационного состояния ОКП на борту солнечной обсерватории «Коронас-Фотон». Низкая полярная орбита КА «Коронас-Фотон» (высота 550 км, наклонение 82.5°) позволяла регистрировать электроны внешнего радиационного пояса Земли четырежды за виток, длительность которого составляла примерно 1.5 ч.

Прибор состоит из двух блоков – детекторного блока « Электрон - М - Песка » и блока электроники « Электрон - М - Песка ». Прибор « Электрон - М - Песка » представляет собой четырехэлементный полупро водниковый телескоп , предназначенный для регист рации электронов , протонов , альфа - частиц и ядер группы CNO в околоземном космическом простран стве методом « пробег – энерговыделение ». Прибор содержит два параллельных телескопа , состоящих из детекторов площадью ~ 6 см ². Все детекторы имеют толщину рабочей части 0.375 мм , подложки – 0.6 мм . Первый детектор защищен алюминиевым фильтром толщиной 0.1 мм . Второй детектор расположен не посредственно под первым . Между вторым и треть им детекторами расположен алюминиевый фильтр толщиной 4.5 мм . Между третьим и четвертым де текторами расположен латунный фильтр толщиной 7 мм . Электроны регистрируются в первых трех де текторах в диапазоне энерговыделений 0.1–0.8 МэВ , на фоне протонов с энергией >80 МэВ .

Анализ данных и обсуждение

По данным прибора « Электрон - М - Песка » были исследованы вариации потоков релятивистских электронов во внешнем РПЗ на высоте 550 км в пе риод с марта по ноябрь 2009 г . ( нижняя панель рис . 1, сплошная черная линия ). Данные приводятся для максимального потока за сутки , измерявшегося в Южном полушарии в области внешнего радиаци онного пояса Земли .

Информация о параметрах межпланетного магнитного поля (ММП) – модуль ММП В (черная кривая), его компонента Вz (серая кривая, верхняя панель рис. 1), солнечного ветра (СВ) – скорость СВ (черная кривая), плотность СВ (серая кривая, вторая сверху панель рис. 1) и индексы геомагнитной активности Dst (черная кривая), AE (серая кривая, вторая снизу панель рис. 1) – дана в соответствии с данными Годдаровского центра космических полетов .

Кроме данных о потоках электронов на высоте 550 км (КА «Коронас-Фотон»), на нижней панели приведены данные о вариациях электронов с энергиями выше 2 МэВ на геостационарной орбите по данным ИСЗ GOES-11 ; серая пунктирная кривая с пустыми квадратами).

Из рисунка видно , что в период с марта по но ябрь 2009 г . средний поток релятивистских электро нов внешнего РПЗ спадал как на геостационарной орбите , так и на малой высоте (550 км ). В такие пе риоды , как июнь и середина сентября – конец ок тября 2009 г ., поток релятивистских электронов внешнего РПЗ был ниже чувствительности прибо ров в обоих экспериментах . При сравнении вариа ций потоков электронов с параметрами СВ можно заметить , что в эти периоды средняя скорость сол нечного ветра была ниже , чем в другие .

Из рис. 1 видно, что в период с марта по ноябрь 2009 г. при сравнительно небольших геомагнитных возмущениях неоднократно происходило возраста- ние потоков релятивистских электронов более чем на два порядка на геостационарной орбите (по данным GOES-11) и более чем на порядок на высоте 550 км. Причем возрастания потоков электронов с энергиями >2 МэВ на геостационарной орбите, как правило, начинались на несколько дней раньше, чем с энергиями 1–4 МэВ на высоте 550 км. Возрастания потоков релятивистских электронов во внешнем РПЗ в рассматриваемый период мы связываем с приходом высокоскоростных потоков солнечного ветра, что подтверждается при сравнении вариаций потока электронов и скорости СВ и не противоречит результатам других экспериментов, например в [Li et al., 2005].

Из рис . 1 видно , что за рассматриваемый период орбиты Земли достигло около 20 высокоскоростных потоков солнечного ветра , но отнюдь не каждый из них , вызывая слабое геомагнитное возмущение , вы звал возрастание потоков электронов во внешнем РПЗ на геостационарной орбите и на малых высо тах . При этом наличие или отсутствие возрастаний потока релятивистских электронов для каждого из высокоскоростных потоков СВ не связано ни с его плотностью , ни с величиной модуля магнитного поля В , ни с максимальной величиной B _z. Примером таких потоков , не вызвавших значимых возраста ний , могут быть некоторые высокоскоростные пото ки СВ , достигшие Земли в течение второй половины ноября 2009 г . Эти потоки не вызвали сильных ва риаций потока электронов ни на геостационарной орбите , ни на малых высотах . При этом амплитуды скорости СВ , D st - вариации и значения АЕ - индекса вто рой половины ноября 2009 г . не слишком отличались от значений , наблюдавшихся в конце октября .

В работе [Мягкова и др., 2010] подробно рассмотрено, какие изменения происходили в параметрах межпланетного магнитного поля (ММП), солнечного ветра (СВ) и геомагнитных индексов в ночь с 12 на 13 марта 2009 г., когда наблюдалось небольшое (Dst=–28 нТл, Kр=5) магнитное возмущение, связанное с приходом к Земле высокоскоростного потока СВ (максимальное значение скорости плазмы Vсв=550 км/c), вызвавшее интенсивное (на два порядка) возрастание скорости счета релятивистских электронов во внешнем РПЗ (по данным «Коронас-Фотон»). Авроральная активность в рассматриваемый период времени была относительно низкой. По данным Мирового центра данных в Киото (, максимального значения 800 нТл АЕ-индекс достигал только около 7 ч утра 13 марта (в максимуме главной фазы магнитного возмущения) и около полудня 21 марта. При этом, согласно данным сети Intermagnet на ряде высокоширотных станций, таких как Соданкюла (Sodankyla), Нарсесуак (Narsarsuaq), было зарегистрировано возрастание волновой активности с 15 по 20 марта 2009 г. На рис. 2 в работе [Мягкова и др., 2010] показаны профили скоростей счета электронов с энергией 1–4 МэВ в зависимости от L-оболочки (L-координата Мак-Илвейна) для девяти прохождений КА «Коронас-Фотон» через внешний РПЗ при одних и тех же значениях географических координат и

Связь динамики внешнего радиационного пояса Земли с параметрами солнечного ветра …

-4

-8

к m'

^'

к

DOY 2009

1 E+4

-20

-40

-60

-80

Рис . 1. Вариации потоков релятивистских электронов во внешнем РПЗ на высоте 550 км и на геостационарной орби те в период с марта по ноябрь 2009 г . ( нижняя панель рис . 1, сплошная черная линия ), а также параметров ММП и СВ , геомагнитных индексов в марте – ноябре 2009 г . ( обозначения в тексте ).

к

Рис . 2. Зависимости скорости счета электронов с энергией 1–4 МэВ от номера L - оболочки для девяти прохождений ИСЗ « Коронас - Фотон » через внешний РПЗ , полученные с 12 по 21 марта 2009 г .

магнитного местного времени до , во время и после геомагнитного возмущения 12–13 марта . Пунктиром на всех четырех панелях представлены данные о фоновых скоростях счета электронов , полученные до начала возмущения – рано утром 12 марта . Из рис . 2 видно , что 13 марта на главной фазе бури на блюдалось небольшое падение скоростей счета ре гистрируемых электронов ( жирная кривая на верх ней панели ). Это не противоречит результатам , по лученным на предыдущем ИСЗ серии « Коронас » – « Коронас - Ф », когда во время сильных геомагнит ных бурь наблюдалось резкое падение интенсивно сти релятивистских электронов во внешнем РПЗ практически до его полного опустошения [ Кузнецов и др ., 2007]. Затем , 14 марта ( тонкая кривая на верх ней панели ), поток электронов в районе « добурево - го » максимума на L =4 не изменился , а на более вы соких L появился добавочный пик с максимумом на L =5.2. 17 марта ( тонкая кривая на второй сверху панели ), новый максимум сдвинулся чуть ближе к Земле ( примерно до L =5), а его интенсивность воз росла примерно на порядок . Рост интенсивности потоков электронов во внешнем РПЗ 18 и 19 марта продолжился . В мае (19.05) был зафиксирован мак симум скоростей счета релятивистских электронов для этого события . Было найдено , что максималь ные потоки на L =5–6 зарегистрированы на день раньше , чем на L =4–5, на четверо суток позднее мо мента возмущения , вызванного приходом высоко скоростного потока СВ . Оценки величины времен ной задержки совпадают с данными работы [Li et al., 2005], выполненной на основании данных , получен ных на ИСЗ SAMPEX.

Ранее корреляция потоков релятивистских элек тронов ( с энергией выше 1 МэВ ) на геостационар ной орбите ( ИСЗ LANL) со скоростью солнечного ветра отмечалась , например , в работе [Williams et al., 1968], причем так же , как и в нашем случае , вблизи минимума солнечной активности (1995 г .). В данной работе было высказано предположение , что механизмом вариаций потоков релятивистских электронов может служить либо радиальная диффу зия , либо « разогрев » VLF- волнами , однако относи тельный вклад этих механизмов выяснен не был .

Экспериментальные исследования вариаций по токов электронов внешнего РПЗ выполнялись как в России , так и в других странах разными научными коллективами практически с момента открытия ра диационных поясов Земли ( например [Williams et al., 1968; Вакулов и др ., 1975; Безродных и др ., 1987; Baker et al., 1997; Li et al., 1997; Friedel et al., 2002; Li et al., 2001; Reeves et al., 2003;] и ссылки там ). Во многих из этих работ была наглядно продемонстри рована связь вариаций потоков релятивистских электронов с параметрами солнечного ветра , в част ности с его скоростью .

Следует отметить, что важной особенностью 2009 г. была чрезвычайно спокойная геомагнитная обстановка, когда приход высокоскоростных потоков СВ не вызывал в магнитосфере Земли развития значимых магнитных бурь. Так, в рассматриваемом примере геомагнитное возмущение 12–13 марта 2009 г., вызвавшее описанные выше вариации пото- ков релятивистских электронов, не только не является сильным, но и вообще не может считаться магнитной бурей в принятом смысле этого слова. Значительных суббурь в рассматриваемый период также не наблюдалось, но на ряде высокоширотных станций регистрировалось возрастание волновой активности, что с большой вероятностью могло привести к наблюдавшемуся возрастанию потоков релятивистских электронов.

Заключение

Эксперимент с прибором « Электрон - М - Песка » на борту солнечной обсерватории « Коронас - Фотон » показал , что в период глубокого минимума солнеч ной активности в 2009 г ., несмотря на отсутствие зна чимых геомагнитных возмущений , в околоземном космическом пространстве на малых (500–550 км ) вы сотах наблюдались значительные ( более чем на поря док ) возрастания потоков релятивистских электронов во внешнем РПЗ , связанные с приходом высокоско ростных потоков солнечного ветра и корреллирующие с возрастаниями потоков релятивистских электронов на геостационарной орбите . Упомянутые возрастания наблюдались в марте , апреле и начале мая , а также в июле , августе и конце октября 2009 г .

Сравнение вариаций потоков релятивистских электронов на круговой полярной орбите высотой 550 км ( ИСЗ « Коронас - Фотон ») и на геостационар ной орбите GOES-11 показали , что возрастания потока релятивистских электронов на геостационарной орби те и на высоте 550 км начинаются практически одно временно ( в пределах временного масштаба 1 сут ), но происходят значительно медленнее и достигают максимума спустя несколько суток . Поскольку гео магнитные возмущения , вызванные приходом высо коскоростных потоков солнечного ветра и привед шие к вариациям потоков электронов , были малы , т . е . значительных бурь и суббурь в рассматриваемый пе риод не наблюдалось , но на ряде высокоширотных наземных станций имело место возрастание волновой активности , было сделано предположение , что именно волновая активность стала причиной вариаций пото ков релятивистских электронов .

Представленные результаты измерений наглядно демонстрируют , что в период минимума СА даже слабые геомагнитные возмущения в сочетании с волновой активностью могут оказать существенное влияние на динамику внешнего РПЗ .