Связь между геомагнитными пульсациями и увеличением потоков геосинхронных релятивистских электронов во время геомагнитных бурь

Во время геомагнитных бурь на их восстанови тельной фазе во внешнем радиационном поясе часто регистрируются потоки релятивистских электронов , значительно превышающие уровень потоков электро нов перед началом бури . Эти увеличенные потоки ре лятивистских электронов могут стать причиной серь езных нарушений в работе систем космических аппа ратов , чьи орбиты пересекают область внешнего ра диационного пояса [Wrenn, et al., 2002]. С целью пре дотвращения этих нежелательных явлений и расчета радиационных доз , воздействующих на спутники , раз рабатываются эмпирические модели прогноза радиа ционной обстановки на орбитах космических аппара тов ( см ., например , [ Панасюк , 1989; Fung, 2004]). В качестве входных параметров таких моделей исполь зуются в основном параметры солнечного ветра и ин дексы геомагнитной активности . Однако в периоды геомагнитных бурь , особенно в восстановительную фазу , можно отметить большие расхождения между прогнозируемыми и наблюдаемыми величинами пото ков релятивистских электронов . В [Barker, et al., 2005] сделан вывод , что для большей эффективности про гнозирования потоков релятивистских электронов во внешнем радиационном поясе необходимо учитывать индивидуальные особенности геомагнитных бурь . Это предполагает необходимость создания специфических моделей для прогноза радиационной обстановки в периоды геомагнитных бурь и поиска оптимальных входных параметров этих моделей .

Последовательность событий появления интенсивных потоков электронов на восстановительной фазе магнитных бурь может быть следующая (см., например, [O'Brien, et al., 2001 Hwang, et al., 2004] и ссылки в них). Во время магнитной бури в суббуревых процессах происходит ускорение электронов магнитосферной плазмы до энергий от единиц до сотен кэВ. Эта популяция так называемых зародышевых электро- нов является необходимой для генерации более энергичных электронов (релятивистских энергий), как того требуют некоторые ускорительные механизмы (см. например обзоры [Fung, 2004; Friedel, et al., 2002]).

Индикаторами инжекции « зародышевых » элек тронов во время магнитосферной суббури могут служить ее различные проявления [ Акасофу , 1971]. В [ Гульельми , Троицкая , 1973] показано , что каче ственно исследовать процессы инжекции энергич ных частиц в магнитосферу позволяют методы гид - ромагнитной диагностики по наблюдениям пульса ций геомагнитного поля . Мы предполагаем , что ин дикаторами появления « зародышевых » электронов могут служить иррегулярные пульсации геомагнит ного поля типа Pi1, генерация которых тесно связа на с инжекцией электронов [Degtyarev, et al., 2009]. Пульсации Pi1, представляющие собой высокочас тотное продолжение спектра Pi2 [Troitskaya, 1961; Cambell, Rees, 1961], благодаря более высокой частоте могут служить более точным индикатором начала суб бури , чем традиционно используемые Pi2 [Bösinger, Yahnin, 1987]. С точки зрения условий наблюдения иррегулярных пульсаций наилучшие условия создают ся на средних широтах . Как показано в [ Золотухина , Харченко , 1997; Arnoldy, et al., 1998], одновременно с генерацией Pi1 в авроральной зоне эти пульсации , благодаря существованию околоземного волновода , регистрируются также на средних широтах . При этом среднеширотные пульсации Pi1 менее подвер жены влиянию локальных процессов авроральной активности , которые затрудняют определение типа пульсаций в авроральной зоне .

Как одному из возможных факторов , способст вующих ускорению « зародышевых » электронов до релятивистских энергий или участвующих в их уско рении , в настоящее время большое внимание уделяет ся геомагнитным пульсациям типа Рс 5 ( см ., например , [Hwang, et al., 2004, Ukhorskiy, et al., 2005 Perry, et al.,

2005]). Для оценки эффективности магнитных бурь в продуцировании релятивистских электронов в работе [O'Brien, et al., 2001] был предложен индекс , рассчи танный по спектральной мощности пульсаций типа Рс 5 в каждом часовом интервале по данным 11 обсер ваторий сети Intermagnet. Авторы этой работы пришли к выводу , что скорость солнечного ветра является наи лучшим внемагнитосферным параметром , а мощность Рс 5- пульсаций – лучшим из внутримагнитосферных параметров для прогностической модели уровня по токов релятивистских электронов . В работе [Kozyreva, et al., 2007] предложен усовершенствован ный индекс глобальной волновой УНЧ - активности в диапазоне периодов 150–600 с , который рассчитыва ется по данным мировой сети магнитных обсервато рий [ftp://space.augsburg.edu/MACCS/ULF_Index/].

Целью данной работы является исследование коррелятивных связей характеристик геомагнитных пульсаций типов Pi1 и Рс 5 с потоками релятивист ских электронов на геостационарной орбите в вос становительную фазу магнитных бурь . Для демон страции возможностей использования геомагнитных пульсаций при прогнозе потоков релятивистских электронов на восстановительной фазе магнитной бури проведен сравнительный анализ динамики ха рактеристик пульсаций типов Pc5 и Pi1 и потоков релятивистских электронов на геосинхронной орби те в течение трех 9- суточных интервалов , вклю чающих магнитоспокойные периоды и периоды геомагнитных бурь .

Используемые данные

Для анализа были использованы данные по потокам электронов с энергией >2 MэВ, зарегистрированным аппаратурой геостационарного спутника GOES-8 (λ≈285º E) [ ] в 1995–2003 гг. Всего за этот период отмечено 150 магнитных бурь с Dst от –30 до –200 нTл [ ]. Для всех магнитных бурь этого периода рассчитаны среднесуточные величины потоков релятивистских электронов и определены максимальные среднесуточные потоки (Jrec) в восстановительную фазу магнитных бурь.

Для выделения геомагнитных пульсаций типа Pi1 во время магнитных бурь были использованы данные среднеширотных обсерваторий Монды (51.6º N; 100.9º E) ( L =2.1) и Борок (58.07º N; 38.23º E) ( L =3.0). Были выделены волновые формы пульсаций Pi1, связанные с инжекциями электронов , и опреде лена продолжительность их регистрации .

Для исследования пульсаций Рс5 использованы 10-секундные данные обсерваторий Сёрёйя (Sørøya 70.54º N, 22.22º E; L=6.8), Кево (Kevo 69.76º N, 27.01º E; L=6.2) и Соданкюля (Sodankylä 67.37º N, 26.63º E; L=5.2) сети магнитометров IMAGE []. Наземные обсерватории были выбраны таким образом, чтобы перекрыть по широте область передвижения проекции геостационарной орбиты на земную поверхность при изменении геомагнитной обстановки во время геомагнитных бурь. При подробном сопоставлении динамики параметров геомагнитных пуль- саций и релятивистских электронов на геосинхронной орбите в ходе трех продолжительных интервалов были использованы также измерения магнитного поля и потоков электронов, проведенные аппаратурой спутников GOES-9 или GOES-10, когда они были расположены на долготе λ≈225º E [ ].

Использование иррегулярных пульсаций гео магнитного поля типа Pi1 в качестве индикато ров инжекции « зародышевых » электронов в магнитосферу

В качестве параметра , с помощью которого мож но было бы оценивать популяцию инжектированных электронов с энергиями десятки кэВ , мы использо вали продолжительность регистрации пульсаций Pi1 на среднеширотной обсерватории . По динамиче ским спектрам пульсаций Pi1 рассчитывалась сум марная продолжительность всех зарегистрирован ных всплесков Pi1b и пульсаций типа Pi1c в течение анализируемого периода . Отношение этой суммар ной продолжительности к длительности анализи руемого периода , выраженное в процентах , является количественной оценкой популяции « зародышевых » электронов . В работе [ Дегтярев , Чудненко , 2007] было показано , что на уровень потоков релятивист ских электронов на геостационарной орбите в вос становительную фазу магнитной бури наиболее важное влияние оказывают вариации скорости сол нечного ветра и геомагнитная активность в период главной фазы и в начале фазы восстановления маг нитной бури . При анализе диагностических возмож ностей геомагнитных пульсаций мы обратили осо бое внимание именно на эти периоды магнитных бурь . Для упрощения обсуждения мы в дальнейшем будем называть относительную величину продол жительности пульсаций Р i1 параметром T pi . Расчеты параметра T pi были сделаны для главной фазы маг нитной бури ( T pi ^main), первых 12 ч восстановитель ной фазы ( ранняя восстановительная фаза ) ( T pi ^rec), а также для временного интервала , включающего главную и раннюю восстановительную фазы ( T pi ^tot).

Исследование связи параметров пульсаций Pi1 с уровнем потока релятивистских электронов в вос становительную фазу магнитных бурь было прове дено для 28 изолированных ( во избежание эффектов суперпозиции ) бурь , для которых были доступны данные непрерывных наблюдений ( на период бури ) на магнитных обсерваториях Монды и Борок . Были рассчитаны значения коэффициентов корреляции J rec с параметром T pi для главной и ранней восстано вительной фаз магнитной бури , а также для времен ного интервала ( T pi ^tot), включающего главную и ран нюю восстановительную фазы . Величины коэффи циентов корреляции соответственно равны :

R ( J rec ; T pi ^main)=0.36;

R ( J rec ; T pi ^rec)=0.54;

R ( J rec ; T pi ^tot)=0.62.

Для этих же 28 бурь были рассчитаны коэффициенты корреляции между Jrec и средним значением скорости солнечного ветра для периода главной фа- зы и ранней фазы восстановления магнитных бурь. Была получена величина коэффициента корреляции R(Jrec; Vtot)=0.44. Сравнение полученных коэффициентов корреляции между максимальным потоком релятивистских электронов на восстановительной фазе магнитной бури и V и Tpi показывает, что эффективность введенного нами параметра пульсаций Pi1 сравнима с эффективностью такого параметра, как скорость солнечного ветра, и даже превышает его для данной выборки магнитных бурь.

Статистический анализ интенсивности Рс 5 и уровня потоков релятивистских электронов

Для проведения этого анализа мы использова ли УНЧ - индекс T gr [Kozyreva, et al., 2007], часовые значения которого приведены в [ ftp://space . augs-burg.edu/MACCS/ULF_Index/]. Этот индекс рас считывался с использованием данных глобальной сети наземных магнитных обсерваторий по полной мощности горизонтальных компонент магнитного поля в диапазоне 2–7 мГц ( диапазон пульсаций Рс 5). Значения индекса были усреднены за периоды , необ ходимые для проведения анализа : среднесуточные ( T _gr^day), средние за период главной фазы ( T _gr^main) и средние за первые 12 ч восстановительной фазы бури ( T gr ^rec).

На рис . 1 представлены результаты кросскорре - ляционного анализа среднесуточных значений пото ков электронов с энергией >2 МэВ ( J ^day) по измере ниям GOES-8 за период 1995–2003 гг . и среднесу точных значений УНЧ - индекса ( T gr ^day). Размер ана лизируемой выборки N =2587. Максимум кросскорре - ляционной зависимости J ^day от T gr ^day ( кривая 1) наблю дается при сдвиге в 2–3 сут , т . е . возрастание потока релятивистских электронов на геосинхронной орбите происходит спустя 2–3 сут после возрастания актив ности УНЧ - колебаний . Тонкой линией на рис . 1 ( кривая 2) показана кросскорреляционная функция между J ^day и среднесуточными значениями скорости солнечного ветра ( V ^day). Максимум корреляции этих величин наблюдается при сдвиге двое суток . Таким образом , рост потока электронов начинается также через двое суток после начала роста скорости солнеч ного ветра . Максимум кросскорреляции среднесуточ ных значений скорости солнечного ветра и T gr ^day на блюдается при нулевом сдвиге ( рис . 1, кривая 3): генерация колебаний Рс 5 начинается вслед за воз растанием скорости солнечного ветра , и только спустя двое суток происходит возрастание потока релятивистских электронов . Отсюда следует , что на рост потока электронов существенное влияние , по - видимому , оказывает продолжительная предвари тельная глобальная УНЧ - активность в диапазоне Рс 5. К аналогичным выводам пришли авторы рабо ты [ Потапов , Полюшкина , 2010].

Дополнительно был проведен корреляционный анализ максимальных среднесуточных значений потоков релятивистских электронов в восстанови тельную фазу 150 магнитных бурь ( J rec ), зарегистри рованных за этот же период (1995–2003), и суммы часовых значений T gr - индекса за период ранней вос становительной фазы ( T gr ^rec). Коэффициент корреля ции между этими двумя переменными оказывается

Рис . 1. Кросскорреляционные функции среднесуточ ных значений потоков релятивистских электронов ( J ^day) на геосинхронной орбите ( по данным спутника GOES-8 за период 1995–2003) и (1) глобального индекса УНЧ ( T gr ^day), (2) скорости солнечного ветра ( V ); (3) скорости солнечно го ветра и индекса T _gr^day .

практически таким же ( R =0.53), как и в максимуме кросскорреляционной функции на рис . 1 ( кривая 1). Отметим , что коэффициент корреляции между J rec и УНЧ - индексом T gr ^main, полученным для главных фаз 150 магнитных бурь , значительно ниже . Как отмечают авторы работы [Kozyreva, et al., 2007], ускорение элек тронов под воздействием энергии УНЧ - колебаний – медленный процесс , поэтому , скорее всего , текущее значение электронного потока определяется не мгновенным значением волновой интенсивности , а « предысторией » накачки волновой энергии УНЧ - колебаний в магнитосфере .

Сопоставление динамики геомагнитных пульсаций Pi1 и Рс 5 и уровня потоков релятиви стских электронов на геосинхронной орбите

Рассмотрим подробно динамику характеристик геомагнитных пульсаций типов Pi1 и Pc5 в ходе трех 9- суточных интервалов с резко выраженными отличиями в поведении потоков релятивистских электронов на геостационарной орбите . Каждый из рассмотренных интервалов включает в себя предбу - ревой период продолжительностью несколько суток и магнитную бурю . Минимальные значения D st - индекса составляют –116 нТл , –114 нТл и –92 нТл во время магнитных бурь с началом 10 марта 1998 г . ( собы тие 1), 18 апреля 2001 г . ( событие 2) и 17 мая 2000 г . ( событие 3) соответственно . Во время первой из рас сматриваемых бурь ( март 1998 г .) поток электронов не испытывает типичного уменьшения в период главной фазы , но существенно , примерно на три по рядка величины , возрастает в период фазы восста новления магнитной бури ( рис . 2). В течение второй бури ( апрель 2001 г .) отмечается типичное поведе ние потока электронов , но на фазе восстановления поток электронов не достигает предбуревого уров ня ( рис . 3). И третий случай ( рис . 4) – поток реля тивистских электронов практически не отреагиро вал на магнитную бурю .

При анализе динамики пульсаций Рс5 использованы данные трех обсерваторий, расположенных в окрестности наземной проекции геосинхронной орбиты, а также данные по магнитному полю, полу- ченные на геостационарных спутниках GOES-9 или GOES-10. Из исходных данных по магнитному полю был удален низкочастотный тренд. Спектральные плотности отфильтрованных данных были вычислены прямым преобразованием Фурье, при этом использовано скользящее временное окно Габора [Mirovilovic, Bracewell, 1992]. Затем в полосе частот 1.6–3.3 мГц определены максимумы, по которым построен временной ход мощности пульсаций Рс5 (Wрс), приведенный на рисунках. Мощность волнового поля пульсаций Рс5 на трех авроральных станциях изменяется синхронно, поэтому, чтобы не загромождать рисунки, на рис. 2–4 приведены вариации амплитудных спектров только станции Кево (WрсKevo), на которой преимущественно наблюдались максимальные значения интенсивности. Для оценки глобальности развития пульсаций Рс5 приведены вариации мощности пульсаций, полученные по данным геосинхронных спутников (WрсGOES). При одновременном изменении мощности волнового поля пульсаций, регистрируемого наземными обсерваториями и геосинхронными спутниками (разность долгот составляет ~200°), можно говорить о глобальном характере развития пульсаций Рс5. Для сравнения на рис. 2–4 приведены также вариации глобального УНЧ-индекса (Tgr). Отметим, что использование большого числа станций для расчета индекса Tgr, по мнению авторов [Kozyreva, et al., 2007], приводит к сглаживанию и уменьшению значений индекса. При построении этих рисунков параметр Tpi рассчитывался по суммарной продолжительности регистрации пульсаций Pi1 на обс. Борок в каждом часовом интервале. На рис. 2–4 выделено три временных интервала: «А» и «В» – предбуревые периоды продолжительностью ~3 сут и ~2 сут соответственно и «С» – период главной фазы и фазы восстановления бури.

Событие 1 ( март 1998 г . )

На рис . 2 приведены вариации скорости солнеч ного ветра и магнитосферных параметров для перио да с 12:00 UT 5 марта по 12:00 UT 14 марта 1998 г . Перед началом магнитной бури ( рис . 2, в ) потоки электронов с энергией >2 M эВ по измерениям обоих спутников GOES приблизились ( интервал « В ») к минимальному уровню потока для данной энергии за период 1996–2000 гг . [ Дегтярев , Чудненко , 2007]. Характерный для главной фазы магнитной бури спад потока для электронов с энергией >2 M эВ от сутствует . В конце главной фазы бури начинается увеличение потоков электронов , и в течение фазы восстановления бури потоки электронов с энергией >2 МэВ превысили предбуревой уровень примерно на три порядка .

До начала магнитной бури ( интервалы « А » и « В ») интенсивность пульсаций Рс 5 не превышает 1000 нТл ²/ Гц , по данным авроральной обсерватории Кево ( рис . 2, д ), а на геостационарной орбите , по дан ным GOES-9 ( рис . 2, е ), существенно меньше . Интер вал « А » ( рис . 2, г – д ) характеризуется низкой мощно стью пульсаций Рс 5 с отдельными несинхронными ( на станции Кево и GOES-9) увеличениями мощно сти . Можно отметить , что отдельные случаи повы шения мощности Рс 5 и индекса T gr в середине 9 марта

Рис . 2. Вариации скорости солнечного ветра ( а ) и маг нитосферных характеристик ( б – ж ) для периода с 12:00 UT 5 марта по 12:00 UT 14 марта 1998 г .: D st - индекса ( б ); потоков электронов с энергией >2 МэВ по данным спут ника GOES-8 (1) и GOES-9 (2) ( в ); глобального УНЧ - индекса T _gr ( г ); мощности пульсаций Рс 5 по данным авро ральной обсерватории Кево ( д ); мощности пульсаций Рс 5 по данным спутника GOES-9 ( е ); параметра T _pi ( ж ).

не оказывают влияния на уровень потока энергичных частиц ( рис . 2, д , е ). С возрастанием скорости солнеч ного ветра ( в конце интервала « В ») наблюдается одно временное возрастание индекса пульсаций T gr и мощ ности пульсаций Рс 5 на станции Кево и спутнике GOES-9. В 13:00 UT зарегистрировано начало главной фазы бури . В это время скорость солнечного ветра ( рис . 2, а ) достигает значения ~450 км / с . В главную фазу магнитной бури регистрируются максимальные мощность пульсаций Рс 5 и значение T gr - индекса . В восстановительную фазу мощность Рс 5 и индекс T gr несколько уменьшились , но оставались значительно выше предбуревого уровня . Отметим синхронность изменений индекса пульсаций T gr и мощности Рс 5, вычисленных по наземным и спутниковым данным , особенно в самом начале восстановительной фазы . Этот факт свидетельствует о больших пространствен ных масштабах волнового поля Рс 5 в раннюю восста новительную фазу .

В интервале « А » регистрируются продолжитель ные пульсации Pi1. Однако уровень потоков электро нов на геостационарной орбите остается низким . В интервале « В » перед бурей ( до 10 марта ) наблюдается только редкое появление пульсаций Pi1. Уровень по токов электронов в этот период остается практически неизменным . Главная и восстановительная фазы бури отмечены частым появлением пульсаций Pi1 по дан ным станции Борок , совпадающих по времени , осо бенно в раннюю восстановительную фазу магнитной бури , с увеличением мощности пульсаций Рс 5.

Анализ события 1 в целом с точки зрения сопос- тавления динамики уровня потока релятивистских электронов на геосинхронной орбите и параметров геомагнитных пульсаций типа Рс5 и Pi1 позволяет отметить следующие особенности. До начала магнитной бури, несмотря на большую продолжительность регистрации Pi1, которая, по нашему предположению, позволяет оценивать количественно популяцию «зародышевых» электронов как большую, уровень потока остается низким. При этом не регистрируются глобальные Рс5: интенсивность Рс5 не превышает 1000 нТл2/Гц, не наблюдается синхронных вариаций интенсивности Рс5 в разнесенных по долготе пунктах регистрации. Усиление потока релятивистских электронов происходит при одновременной регистрации глобальных Рс5 и среднеширотных Pi1 (конец интервала «B» и интервал «С»).

Событие 2 ( апрель 2001 г . )

На рис . 3 показана геофизическая обстановка за период 13–21 апреля 2001 г ., захватывающий ко нец восстановительной фазы очень большой ( D st = = –271 нТл ) бури 11–12 апреля ( интервал « А »), спо койный период перед рассматриваемой бурей 15–17 апреля ( интервал « В ») и бурю 18–21 апреля ( интервал « С »). В отличие от рис . 2, на рис . 3 интенсивность пульсаций Рс 5 ( панель е ) и поток электронов ( панель в ) приведены по данным спутника GOES-10.

Динамика электронных потоков для события 2 (13– 21 апреля 2001 г .) имеет диаметрально противополож ный характер по сравнению с событием 1. До начала магнитной бури 18 апреля ( интервал « В ») по дан ным GOES-10 ( рис . 3, в ) средний уровень потока электронов с энергией >2 M эВ очень высокий (~1.5·10⁴ см ^–2 с ^–1 ср ^–1). В главную фазу отчетливо про является резкий спад уровня потока электронов ( более чем на пять порядков величины ), в восстановительную фазу – рост потока электронов ( до ~3.4·10² см ^–2 с ^–1 ср ^–1). Таким образом , уровень потока электронов с энергией >2 МэВ в конце восстановительной фазы был пример но на два порядка ниже предбуревого .

Временные вариации мощности пульсаций Рс 5 в течение интервалов « А » и « В » перед магнитной бу рей 18 апреля 2001 г . существенно отличаются от рассмотренного выше события 1. Перед началом бури ( интервал « В »), на фоне уменьшающейся ско рости солнечного ветра , вариации индекса пульса ций T gr и мощности пульсаций Рс 5 по наземным и спутниковым данным не имеют синхронных изме нений . В этот же период пульсации Pi1 редки и не продолжительны . Значительное увеличение мощно сти Рс 5, регистрируемое наземными и спутниковы ми обсерваториями , и увеличение глобального ин декса T gr начались одновременно с резким возраста нием скорости солнечного ветра и главной фазой магнитной бури ( интервал « С »). В фазу восстанов ления мощность пульсаций постепенно уменьшает ся и становится несколько ниже , чем в интервале « В ». В период главной фазы и фазы восстановления наблюдаются редкие и незначительные по длитель ности случаи пульсаций Pi1.

Особое внимание обратим на временной интервал « А » 13–15 апреля . На фоне восстановительной фазы магнитной бури 11–12 апреля 2001 г . происходит рез кий рост скорости солнечного ветра до ~800 км / с . По наземным и спутниковым магнитным данным отмеча ется значительное увеличение мощности пульсаций

Рис . 3. Вариации скорости солнечного ветра ( а ) и маг нитосферных характеристик ( б – ж ) для периода с 13 по 21 апреля 2001 г .: D _st- индекса ( б ); потока электронов с энер гией >2 МэВ ( по данным спутника GOES-10) ( в ); глобаль ного УНЧ - индекса T _gr ( г ); мощности пульсаций Рс 5 по данным авроральной обсерватории Кево ( д ); мощности пульсаций Рс 5 по данным спутника GOES-10 ( е ); пара метра T _pi ( ж ).

Рс 5 и индекса пульсаций T gr . Одновременно наблю даются частые и продолжительные пульсации Pi1 на станциях Монды и Борок . Высокий уровень пульса ций Рс 5 сохраняется в течение всего интервала « А ». Продолжительные и частые пульсации Pi1 наблю даются в первую половину суток 14 апреля . Одно временно поток релятивистских электронов увели чивается примерно на два порядка величины .

Событие 3 ( май 2000 г . )

На рис . 4 изображена геофизическая обстанов ка 12–20 мая 2000 г . ( данные представлены в формате рис . 3). Потоки электронов в течение всего периода были довольно низкими – в преде лах ~10⁰–10² см ^–2 с ^–1 ср ^–1. В период главной фазы и ранней фазы восстановления бури отмечается нару шение суточного хода потоков электронов . Уровень потока электронов в восстановительную фазу не превысил предбуревого . Динамику геомагнитных пульсаций Рс 5 и Pi1 за период 12–20 мая можно ха рактеризовать следующим образом .

Интервал « А ». Глобальные пульсации Рс 5 отсут ствуют . В среднем мощность пульсаций Рс 5 по станции Кево – около 10² нТл ²/ Гц . 13 мая отмечают ся продолжительные пульсации Pi1. Уровень пото ков электронов без значительных изменений .

Интервал « В » . Происходит одновременное увели чение мощности пульсаций в течение ~6 ч 16 мая в Кево и на GOES. В этот же период наблюдаются про должительные пульсации Pi1. Поток электронов не отреагировал на эти увеличения параметров Pi1 и Рс 5.

Интервал « С ». В период главной фазы наблюдается одновременное кратковременное увеличение индекса

Таблица 1

Параметры пульсаций перед началом и во время магнитной бури .

Магнитная буря	J rec	T pi tot	T lrec	W pc pre	W pc tot	W pc lrec	T gr tot	T lrec
10.03.1998 г .	4.7 ⋅ 103	26.7	12.4	121	3298	627.5	1.28	1.g05
18.04.2001 г .	3.3 ⋅ 101	1.7	0.6	1722	11565	473.3	0.71	0.62
17.05.2000 г .	2.1 ⋅ 101	12.5	0	3328	5732	243.2	0.87	0.62
* величина потока	J rec дана в	см –2 с –1	ср –1.

Рис . 4. Вариации скорости солнечного ветра и магнито сферных характеристик для периода с 12 по 20 мая 2000 г . ( обозначения те же , что на рис . 3).

T gr , а также мощности Рс 5 по данным наземных станций и GOES-10. Во время фазы восстановления некоторые увеличения мощности Рс 5, зарегистриро ванные наземной станцией и на GOES, не совпадали по времени , что свидетельствует о локальности про цесса . Пульсации Pi1, наблюдавшиеся в течение всей главной фазы , на фазе восстановления практически не появляются .

Кратковременное синхронное возрастание ин тенсивности Рс 5 и появление Pi1 произошло в глав ную фазу магнитной бури , обычно характеризую щуюся спадом потока релятивистских электронов . В главную фазу произошло только незначительное уменьшение потока .

Сравнение параметров пульсаций в ходе маг нитных бурь 10 марта 1998 г ., 18 апреля 2001 г . и 17 мая 2000 г . ( события 1–3)

Для проведения сравнительного анализа были рассчитаны средние величины параметров пульсаций Рс5 и Pi1 за выбранные периоды трех бурь, входящих в события 1–3, обозначенные следующим образом: «pre» – 24-часовой период перед началом магнитной бури; «tot» – период, включающий главную фазу и 12-часовой период начала фазы восстановления; «lrec» – период с 13 до 36 ч от начала фазы восстановления (поздняя фаза восстановления). В табл. 1 представлены значения средних величин параметров пульсаций и электронного потока (по измерениям на спутнике GOES-8), полученные для этих периодов.

Данные табл . 1 количественно подтверждают ре зультаты , полученные при качественном рассмотре нии рис . 2–4. Интенсивные потоки релятивистских электронов генерируются при условии , что суббуре вые инжекции электронов продолжаются более 20 % времени главной фазы бури и начальной фазы вос становления ( для бури 10 марта 1998 г . параметр T pi ^tot=26.7) . При этом суббуревые инжекции часто наблюдаются и в более позднюю фазу восстановле ния . Отметим , что индекс пульсаций ( T gr ) также по казывает более значительную величину в главную фазу и фазу восстановления бури 10 марта 1998 г ., чем во время двух других бурь .

Однако из табл . 1 следует , что более высокие ве личины параметра W pc ^tot наблюдаются как раз для бурь 18 апреля 2001 г . и 17 мая 2000 г ., т . е . для бурь без интенсивных потоков электронов на фазе восста новления . Здесь мы в приведенных данных сталкива емся с двумя кажущимися противоречиями .

Первое – несоответствие между средними вели чинами индексов пульсаций ( T gr ) и мощностью Рс 5, наблюдаемой на Кево для отмеченных выше перио дов бурь . Например , при сравнении случаев 10 мар та 1998 г . и 18 апреля 2001 г . мы видим , что W pc ^tot для 10 марта 1998 г . более чем в 3 раза меньше ве личины W pc ^tot для 18 апреля 2001 г ., тогда как по T gr ^tot мы видим обратную картину . Напомним , что период «tot» включает в себя главную фазу магнитной бури , в которую типично наблюдаются мощные иррегу лярные пульсации Pi2. Они входят в частотный диа пазон Рс 5 и могут внести вклад в параметр W pc ^tot. Для индекса T gr ^tot, рассчитываемого по данным большого количества станций , этот вклад нивелируется .

Второе противоречие заключается в том , что при большем значении параметра W pc ^tot для бурь 18.04.2001 г . и 17.05.2000 г ., чем для случая 10 мар та 1998 г ., во время этих двух бурь наблюдаются менее интенсивные потоки релятивистских электро нов на фазе восстановления магнитной бури .

В ходе магнитной бури 10.03.1998 г . продолжи тельное ( более суток ) одновременное возрастание мощности Рс 5 на станции Кево и GOES и почти син хронные вариации параметров W рс ^Kevo и W рс ^GOES и индекса T gr позволяют говорить о глобальном харак тере Рс 5 ( см . рис . 2, конец периода « В » и начало периода « С »). В периоды магнитных бурь событий 2 и 3 возрастания параметров W рс ^Kevo и W рс ^GOES и ин декса T gr являются непродолжительными и не имеют синхронного характера ( см . рис . 3, периоды « В » и « С », и рис . 4). Параметр T _pi^tot ( табл . 1) значительно выше 10 марта 1998 г ., чем 18 апреля 2001 г .

Обратим также внимание на увеличение потока релятивистских электронов ( на ~2 порядка величи ны ), произошедшее 14 апреля 2001 г . ( см . рис . 3, интервал « А ») на восстановительной фазе большой магнитной бури . Резкое возрастание скорости сол нечного ветра произошло 13 апреля 2001 г ., что вы звало значительный и продолжительный рост пара метра W рс ^GOES и индекса T gr и менее значительное увеличение параметра W рс ^Kevo. В табл . 2 приведены среднесуточные значения параметров пульсаций для этого периода . Величина W pc ^day в несколько раз меньше , чем в главную фазу магнитной бури 18 ап реля 2001 г ., T _pi ^day превышает 20 %, как и в случае главной фазы бури 10 марта 1998 г . ( см . табл . 1).

Таблица 2

Параметры пульсаций для 13–14 апреля 2001 г .

	T day	T day	W pc day
13.04.01	20pi	1.g25	1411
14.04.01	27.4	1.05	358

Сопоставляя динамику уровня потока релятиви стских электронов и параметров пульсаций в ходе рассмотренных событий , можно сделать следующий вывод . Большое влияние на возрастания потока ре лятивистских электронов на геосинхронной орбите оказывает величина популяции « зародышевых » электронов и развитие глобальных пульсаций Рс 5 в течение продолжительного времени . Кратковремен ное возрастание мощности УНЧ - колебаний не ока зывает существенного влияния на уровень элек тронного потока . Это вполне объяснимо , если при нять во внимание тот факт , что ускорение электро нов при их резонансном взаимодействии с геомаг нитными пульсациями типа Рс 5 не является единст венно возможным механизмом ускорения . Так , на пример , в литературе обсуждается целый ряд других механизмов ускорения электронов до релятивист ских энергий ( см ., например , [ Бахарева , 2003; Meredith, et al., 2003; O’Brien, et al., 2003, Li Liuyuan, et al., 2005] и ссылки в них ). В одно и то же время могут действовать различные механизмы ускорения элек тронов , которые в конечном счете и формируют потоки релятивистских электронов .

Из двухступенчатой схемы генерации релятиви стских электронов следует , что только при сочета нии большой популяции « зародышевых » электро нов с высокой мощностью продолжительных Рс 5 могут появиться интенсивные потоки релятивист ских электронов . Само по себе наличие « зародыше вых » электронов является необходимым , но не дос таточным условием для возрастания интенсивности потока релятивистских электронов . В равной степе ни это относится и к длиннопериодным пульсациям . Расчеты показывают , что коэффициенты корреля ции между максимальными среднесуточными пото ками электронов ( J _rec) на восстановительной фазе магнитной бури и отдельными параметрами пульса ций составляют :

R { J rec ; T gr ^tot}=0.418,

R { J rec ; W pc ^tot}=0.405,

R { J rec ; T pi ^tot}=0.527.

Используя же связку параметров T _gr ^tot и T _pi^tot, W _pc ^tot и T _pi^tot, методом множественной корреляции мы полу чим более высокие коэффициенты корреляции : R { J rec ;( T gr ^tot, T pi ^tot)}=0.549 и R { J rec ; ( W pc ^tot, T pi ^tot)}=0.683 соответственно . Заметим , что при использовании T pi ^tot с W pc ^tot коэффициент корреляции увеличивается больше , чем при использовании T pi ^tot с УНЧ - индексом ( T gr ^tot).

Обсуждение результатов

В данной работе мы исходили из предположе ния , что для генерации потоков релятивистских электронов во внешнем поясе радиации необходимы два фактора : появление в магнитосфере так назы ваемых « зародышевых » электронов с энергиями десятки кэВ и последующее ускорение их до реля тивистских энергий . Геомагнитные пульсации типов Pi1 и Pc5 предоставляют хорошие возможности для диагностики динамики уровня релятивистских элек тронов . На первом этапе – как индикатор появления в магнитосфере « зародышевых » электронов и на последнем этапе – как один из механизмов , и , может быть , самый эффективный , энергизации предвари тельно ускоренных « зародышевых » электронов ( по средством других механизмов ) до релятивистских энергий . Причем , с одной стороны , геомагнитные пульсации непосредственно связаны с генерацией « зародышевых » электронов и их ускорением до ре лятивистских энергий , чем отличаются от других общепринятых индексов магнитосферной активно сти , которые только косвенно связаны с потоками высокоэнергичных электронов внешнего радиаци онного пояса . С другой стороны , выявить количест венные характеристики геомагнитных пульсаций типа Pi1 и Рс 5 можно по данным ограниченного числа магнитных обсерваторий , что важно для опе ративного прогноза опасных ситуаций на высоких орбитах в радиационном поясе .

Введенный параметр Т pi сравним по эффективно сти с таким параметром , как скорость солнечного ветра , которая во всех прогностических моделях считается наиболее значимым входным параметром .

Мы полагаем , что для создания оперативно дей ствующих прогностических моделей в качестве до полнительных входных параметров эффективным будет использование параметров иррегулярных гео магнитных пульсаций T _pi и спектральной мощности Рс 5, рассчитываемых по данным не глобальной сети наземных станций , а ограниченного числа средне широтных и авроральных станций . Подчеркнем , что в настоящей работе для получения этих параметров использованы данные только двух среднеширотных и трех авроральных станций .

Выводы

• 1.    Среднеширотные геомагнитные пульсации Pi1 могут быть индикатором эффективности маг нитной бури в продуцировании интенсивных пото ков релятивистских электронов на геостационарной орбите . Преимущество использования данного ин дикатора по сравнению с другими , например со ско ростью и плотностью солнечного ветра , заключается в том , что в реальном времени достаточно просто

• 2.    Мощные и продолжительные глобальные пуль сации Рс 5 на восстановительной фазе магнитной бури в сочетании с частыми суббуревыми инжекциями энергичных электронов характерны для более высоких потоков релятивистских электронов , регистрируемых в восстановительную фазу магнитной бури .

можно получить количественную оценку параметра T _pi по данным одной или нескольких среднеширот ных станций .

Работа выполнена в рамках проекта Президиума СО РАН фундаментальных исследований , выполняе мых совместно со сторонними организациями , тема № 69 « Солнечно - земные связи в условиях минимума и роста солнечной активности в 24- м цикле по дан ным совместной российско - китайско - монгольской сети станций ». Частично работа была поддержана грантом РФФИ 10-05-00661.