В околоземном космическом пространстве структура и потоки космических лучей определяются структурой геомагнитного поля. Галактические космические лучи (ГКЛ), поток которых невелик, существуют в магнитосфере постоянно и испытывают незначительные вариации. Появление солнечных космических лучей (СКЛ) носит вспышечный характер. Спектр СКЛ более мягок, но поток их в десятки и сотни раз может превосходить поток ГКЛ.
Для дипольного поля согласно теории Штермера граница проникновения частиц с жесткостью Р (ГВ/z) определяется из
выражения:
Для современного геомагнитного диполя CSt=√(57.2/P), R - расстояние от центра Земли в ее радиусах,
α - питч-угол частицы, φ- фаза вращения, отсчитываемая от меридиональной плоскости,λ- геомагнитная
широта. Граничная жесткость частицы, приходящей в плоскости магнитного меридиана, определяется как
P=14.3/L2. С восточного направления приходят частицы с PЕ=57.2/√(1+(1-cos3λ)), с западного
PW=57.2/√(1+(1+cos3λ)).
Магнитосфера Земли сильно искажена из-за взаимодействия с солнечным ветром и на геомагнитных широтах > 60o даже в
геомагнитноспокойных условиях приведенные формулы неприменимы. В настоящее время имеется ряд моделей магнитосферы.
Однако расчеты геомагнитного обрезания заметно отклоняются от данных измерений во время сильных магнитных
возмущений. Поэтому в практических целях (для прогноза времени пребывания космического аппарата в областях,
заполненных частицами СКЛ) целесообразно использовать эмпирические зависимости границ проникновения от индексов
геомагнитной возмущенности.
В настоящее время имеется значительный экспериментальный материал, на основе которого можно понять некоторые
особенности механизма проникновения солнечных космических лучей (СКЛ) в магнитосферу Земли. Показано, что протоны
СКЛ с энергией Ер < 100 МэВ могут проникать на геомагнитные широты, значительно более низкие по сравнению с
вычисленными на основе теории Штермера, при этом порог жесткости зависит от местного времени.
Интересным явлением является возникновение северо-южной асимметрии интенсивности протонов СКЛ в полярных шапках.
Во время некоторых вспышек СКЛ в течение нескольких часов интенсивность протонов над одной из шапок существенно
превосходит наблюдаемую над другой.
На рис. 1 приведены данные о состоянии межпланетной среды и геомагнитная возмущенность 26 и 27 октября 2003 г.
До 19ч. 26 октября Bz было близко к 0 или имело положительное значение, позже до 11ч. Bz имело значение ~ -5 нТл,
затем стало положительным. Во время отрицательного Bz несколько увеличилась геомагнитная возмущенность: Кр
увеличилось до 4, а Dst уменьшилось с -20 до -70 нТл.
На ИСЗ "КОРОНАС-Ф" с 19 ч 26 октября до 11ч. 27 октября наблюдалась северо-южная асимметрия СКЛ. В межпланетном
пространстве в это же время потоки СКЛ были анизотропны (ИСЗ АСЕ).
На рис.2 показаны данные спутника "КОРОНАС-Ф", полученные на высоких широтах во вpeмя вспышки 26 и 27 октября 2003 г.
Сплошной линией обозначен поток протонов с энергией 1<Ер<5 МэВ. Линией с точками обозначен поток электронов с
Ее=0.3-0.6 МэВ. Мы видим, что в северном полушарии в полярной шапке поток частиц СКЛ меньше, чем в южном, но в
авроральной области (область хвостового плазменного слоя,область квазизахвата) потоки сравниваются. В северном полушарии в данном случае
при Bz<0 по частицам СКЛ мы можем определить границу между полярной шапкой и хвостовым плазменным слоем.
Особенности
северо-южной асимметрии потоков СКЛ в полярных шапках, а также динамика экваториальных и полярных границ проникновения
СКЛ в магнитосферу исследовались в целом ряде работ как по данным измерений протонов (Evans and Stone, 1969;
Domingo and Page, 1971; Дарчиева и др., 1973, 1983, 1990, Иванова и др., 1976), так и электронов (McDiarmid and
Burrows, 1970, Evans and Stone, 1972, Дарчиева и др., 1983, Гоцелюк и др. 1987).
По-видимому, морфологическое многообразие картины проникновения протонов в полярные шапки связано с различными
условиями в межпланетном пространстве, а именно:
а) секторной структурой межпланетного поля;
б) наличием или отсутствием южной компоненты межпланетного поля;
в) существованием анизотропии потока солнечных космических лучей.
Подобная асимметрия потоков СКЛ в полярных шапках при наличии анизотропии потоков в межпланетном пространстве говорит
о том, что силовые линии одной полярной шапки не замыкаются на другую, а замыкаются на силовые линии межпланетного
пространства. Схематически это явление показано на рис 3: а) случай магнитосферы "открытого" типа, б) случай
магнитосферы "закрытого" типа. В обоих случаях в магнитосфере из-за взаимодействия с солнечным ветром существует
электрическое поле, направленное с утра на вечер. Благодаря этому в полярной шапке частицы СКЛ дрейфуют к плазменному
слою и заполняют его.
На рис.4 приведены данные о зависимости границы проникновения солнечных электронов с Ее>30кэВ, протонов с Ер>1МэВ,
>10МэВ, >30МэВ от MLT (Бирюков и др., 1983) во время вспышки СКЛ 22 - 25 ноября 1977г. В течение всего этого
интервала времени геомагнитная обстановка была исключительно спокойной Кр<1+. С увеличением энергии частиц широта
их проникновения уменьшается. На минимальные широты частицы попадают с ночной стороны Земли, а на максимальные -
с дневной. Диапазон изменения широт с изменением местного времени максимален для электронов и протонов с Ер>1 МэВ.
Рассмотрим структуру потоков протонов на границе проникновения. На рис. 5 приводится пример регистрации потоков
протонов на ИСЗ "КОРОНАС-Ф" 25 апреля 2002г. в геомагнитноспокойных условиях Кр=1. Граница проникновения протонов
соответствует широте, где поток протонов становится равен 0.8 - 0.5 потока в полярной шапке. Непостоянство критерия
граничного потока вызвано величиной времени усреднения данных, составляющей 14.5 с. Широты ночных границ
проникновения протонов с Ер=1-5, 14-26 и 26-50 МэВ составляют 67o , 63o и 63o
, соответственно. С дневной стороны для тех же энергий протонов - 72o , 64.5o и 64o . Причем уменьшение потоков протонов с энергией 1-5 МэВ с широты 72o до 68o происходит
достаточно медленно. Эти особенности связаны с закономерностями движения частиц высокой энергии в магнитосфере.
В работе (Кузнецшов и Тварская) указывалось, что адиабатически движутся частицы, у
которых χ >0.1. Для таких частиц флуктуации
магнитного момента обеспечивают питч-угловую диффузию частиц. Скорость питч-угловой диффузии растет, пока средний
угол рассеяния за половину качка не достигнет угла конуса потерь (граница сильного рассеяния), В дальнейшем
увеличение угла рассеяния не приводит к уменьшению времени жизни.
На рис. 6 приведены границы сильного рассеяния для протонов с энергией 1, 10 и 30 МэВ, соответственно Гр1, Гр10 и Гр30 (Кузнецов, Рыбаков, 2003). На рисунке также приводятся пунктиром дрейфовые оболочки со вторым инвариантом I равным 13, 15 и 23RЗ. По данным (Кузнецов, Рыбаков, 2003) на внешней кромке внешнего пояса захваченные частицы движутся по линиям I=const. Эти кривые вычислены в рамках модели Цыганенко-89 для Кр=1. Здесь же приведены данные о границе проникновения протонов с энергией 1.2, 12 и 24 МэВ по данным (Fanselow, Stone, 1972) для Кр<1+.
В работе (Кузнецов, Рыбаков, 2003) указывается, что если границе проникновения космических лучей в дипольном поле
соответствует χ =0.75, то в модели Цыганенко-89 границе проникновения космических лучей с ночной стороны Земли
соответствует χ =0.45. Частицы СКЛ, проникшие на ночную сторону, продрейфовывают на вечернюю, дневную и затем
утреннюю стороны. Граница проникновения протонов с Ер~1 МэВ с ночной стороны находится на широте на ~ 2 градуса
большей, чем широта границы сильного высыпания на I~15, и при дрейфе вокруг Земли они на вечерней стороне пересекают
границу сильного высыпания и попадают в область слабого высыпания. С утренней стороны протоны снова попадают в
область сильного высыпания. Протоны, попавшие на ночной стороне на более высокие широты вплоть до ~68o
(I~23), с дневной стороны попадают в область слабого высыпания. Протоны, начинающие дрейф на более высоких
широтах, всегда находятся в области сильного высыпания. Протоны с Ер~10 МэВ, начиная дрейф на границе
проникновения, всегда находится в области сильного высыпания. На дневной стороне граница проникновения близка к
границе сильного высыпания. Граница проникновения протонов с Ер~30МэВ всегда находится на широтах больших, чем
широта сильного высыпания. Таким образом, протоны с энергией от 1МэВ и выше имеют резкую границу проникновения с
ночной стороны ( ΔΛ ~2o ). Подобная резкая граница наблюдается и с дневной стороны для протонов с
энергией Ер>10МэВ. Для протонов с энергией Ер<10МэВ с дневной стороны граница пологая, при Ер~1МэВ
ΔΛдостигает 6o .
Как известно, во время магнитных возмущений структура магнитосферы меняется. При этом область проникновения СКЛ
может сильно увеличиваться. Так, в максимуме бури 30 октября 2003 г. (Dstmin = -401 нТл) граница проникновения
солнечных протонов с Ер>90 МэВ (ИСЗ Метеор-3М) сместилась до ~50о инвариантной широты (Панасюк и др., 2004).
По данным измерений на трех полярных ИСЗ серии Космос исследовалась динамика границ проникновения солнечных протонов
с Ер>1 МэВ во время сильной магнитной бури одновременно на всех местных временах (Сосновец, Тверская, 1986).
Минимальная широта границ зарегистрирована на главной фазе бури в ранние вечерние часы. На фазе восстановления бури
граница проникновения при тех же значениях Dst, что и на главной фазе, находилась на больших широтах (разница может
достигать ~5о инвариантной широты). Авторы связывают этот эффект с развитием кольцевого тока на главной
фазе бури. Эти результаты иллюстрирует рис. 7. На рис. 8 из (Кузнецов и др., 2006) приводятся примеры
проникновения СКЛ различных энергий в спокойных и возмущенных условиях.
Во время некоторых событий СКЛ поток может представлять основную радиационную опасность даже для объектов с малым
наклонением плоскости орбиты к плоскости экватора, таких как МКС. На рис. 8 приведены данные об изменении интегральной
дозы на станции Мир 19 - 27 октября 1989 г. Возрастание солнечных космических лучей в октябре 1989 г. относится к
числу самых мощных за весь период наблюдений на космических аппаратах. Максимум интенсивности солнечных протонов 20
октября совпал с развитием сильной магнитной бури. Время пребывания станции МИР в областях, заполненных солнечными
протонами, увеличилось в несколько раз из-за резкого понижения широты геомагнитного обрезания во время бури
(Тверская и др., 1991, Tverskaya et al., 2004). Возрастание дозы за 19-21 октября (в основном за несколько часов
20 октября) составило ~27 мГр. В отсутствие возрастаний солнечных протонов суточная доза, зарегистрированная
ионизационной камерой станции МИР, составляла 0.15 - 0.3 мГр/сут.
Прогнозирование размеров области проникновения солнечных космических лучей в магнитосферу является актуальной задачей
в изучении факторов космической погоды. Структуру магнитосферы качественно мы можем оценить по параметрам магнитной
возмущенности и межпланетной среды. Так как данные по параметрам межпланетной среды часто отсутствуют по разным
причинам, имеет смысл, в первую очередь, рассматривать вариации границ проникновения СКЛ в зависимости от индексов
геомагнитной активности.
Мы будем рассматривать вариации границы проникновения протонов СКЛ с Ер>1МэВ, так как эти протоны являются одним из
поражающих факторов для солнечных батарей, протонов с энергией десятки МэВ, которые являются источником радиационной
опасности для человека на борту МКС и электронной аппаратуры на различных космических аппаратах.
В работе (Иванова и др., 1985) были обобщены данные о границе проникновения протонов с Ер>1МэВ, полученные с помощью
идентичной аппаратуры на ряде спутников серии "Космос". Наилучшая корреляция между положением границы проникновения
протонов и магнитной возмущенностью наблюдалась при использовании индекса AD= √(Dst2+0.02AE2).
Зависимость искалась в виде:
(2)
Результаты исследования приведены в таблице 3.7.1.
Таблица 1. Параметры уравнения регрессии между границей проникновения протонов СКЛ с Ер>1 МэВ и индекса AD
геомагнитной активности для различных интервалов MLT по (Иванова и др., 1985).
№ |
DMLT(ч.) |
L0° |
В(гр/нТ) |
r |
N |
1 |
21-03 |
66.9 |
-0.039 |
-0.781±0.031 |
154 |
2 |
03-06 |
68.3 |
-0.039 |
-0.837±0.045 |
57 |
3 |
06-09 |
74.6 |
-0.057 |
-0.606±0.117 |
9 |
4 |
09-12 |
75.1 |
-0.046 |
-0.599±0.099 |
52 |
5 |
12-15 |
75.1 |
-0.057 |
-0.848±0.026 |
110 |
6 |
15-18 |
71.4 |
-0.065 |
-0.816±0.065 |
38 |
7 |
18-21 |
67.8 |
-0.042 |
-0.819±0.054 |
37 |
MLT |
N |
minDst |
maxKp |
L0 |
А |
В |
r |
3 – 6 |
82 |
-221 |
8- |
70.04 |
.0256 |
-.646 |
.768 |
6 - 9 |
288 |
-401 |
9 |
68.9 |
.0259 |
- |
.533 |
9 – 12 |
121 |
-388 |
9 |
70.24 |
- |
-.697 |
-.38 |
15 - 18 |
72 |
-216 |
8- |
68.73 |
- |
-1.266 |
-.778 |
18 – 21 |
312 |
-401 |
9 |
67.82 |
.0158 |
-.879 |
.828 |
21 - 24 |
119 |
-401 |
9 |
66.17 |
.0207 |
-.482 |
.702 |
MLT |
N |
minDst |
maxKp |
L0 |
А |
В |
r |
3 – 6 |
56 |
-221 |
8- |
65.27 |
.0132 |
-.5279 |
.714 |
6 - 9 |
280 |
-401 |
9 |
65.25 |
.0151 |
-.2726 |
.698 |
9 – 12 |
107 |
-342 |
9 |
65.49 |
.0149 |
-.2302 |
.712 |
15 - 18 |
60 |
-216 |
8- |
65.2 |
- |
-1.0214 |
-.835 |
18 – 21 |
290 |
-401 |
9 |
65.02 |
.0125 |
-.7309 |
.882 |
21 - 24 |
74 |
-401 |
9 |
65.12 |
.0136 |
-.8118 |
.911 |
MLT |
N |
minDst |
maxKp |
L0 |
А |
В |
r |
3 – 6 |
110 |
-162 |
9 |
74.62 |
- |
-.7726 |
-.452 |
6 - 9 |
235 |
-401 |
9 |
77.26 |
- |
-1.289 |
-.667 |
9 – 12 |
108 |
-388 |
9 |
79.51 |
- |
-1.6959 |
-.825 |
12 - 15 |
32 |
-177 |
8- |
76.89 |
- |
-1.0239 |
-.698 |
15 - 18 |
53 |
-401 |
9 |
76.73 |
- |
-1.6699 |
-.844 |
18 – 21 |
261 |
-388 |
9 |
73.16 |
.0117 |
-.9346 |
.636 |
21 - 24 |
108 |
-401 |
9 |
70.32 |
- |
-.8383 |
-.462 |
LT |
Уровень регрессии
|
DL |
r |
3.0 |
L=0.028Dst+62.0 |
±1.2 |
0.89 |
8.5 |
L=0.027Dst+63.1 |
±0.9 |
0.93 |
12.5 |
L=0.028Dst+63.1 |
±1.0 |
0.92 |
18.0 |
L=0.029Dst+63.1 |
±1.2 |
0.89 |