Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Радиационные пояса 24
1.1 Магнитная полость 24
1.2 Геомагнитное поле 25
1.3 Радиационные пояса Земли 26
1.4 Свистящие атмосферики 35
1.5 ОНЧ /КНЧ магнитосферные излучения: шипения, хоры, дискретные излучения 36
1.6 Электроны радиационных поясов 37
1.7 Атмосферные эффекты высыпаний электронов из радиационных поясов42
ГЛАВА 2. Статистика высыпаний в атмосферу электронов с энергией порядка 100 кэв по данным радиационных измерений с борта исз «метеор 3м №1» за 2002-2005 гг .
2.1 Физика высыпаний электронов из радиационных поясов и принципы выделения событий высыпаний в данных бортовых измерений ИСЗ «Метеор-3 М №1» 44
2.2 Частота появления событий высыпаний в зависимости от параметра Мак-Илвайна . 56
2.3 Частота встречаемости различных значений скорости счёта в событиях высыпаний. 59
ГЛАВА 3. Стимулированные высыпания электронов с энергией более 40 кэв по данным радиационных измерений с борта ИСЗ «МЕТЕОР-3М №1.» 70
3.1 Возможность регистрации стимулированных высыпаний электронов радиационных поясов с борта ИСЗ «Метеор-3М №1» 70
3.2 Наблюдения стимулированных высыпаний электронов с энергией более 40 кэВ с борта ИСЗ «Метеор-3М №1». 77
3.3 Интерпретация результатов наблюдений. 85
Заключение 101
Список литературы 103
- Радиационные пояса Земли
- /КНЧ магнитосферные излучения: шипения, хоры, дискретные излучения
- Частота появления событий высыпаний в зависимости от параметра Мак-Илвайна
- Наблюдения стимулированных высыпаний электронов с энергией более 40 кэВ с борта ИСЗ «Метеор-3М №1».
Радиационные пояса Земли
Диссертационная работа состоит из введения, трёх глав и заключения, содержит 112 страниц, 45 рисунков, 3 таблицы. Список литературы насчитывает 101 наименование. Во введении сформулирована тема диссертации, обоснована её актуальность, обозначены задачи работы, направления исследований и основные положения, выносимые на защиту. Отражена новизна полученных результатов, их научная и практическая ценность. Описана структура диссертационной работы.
Первая глава диссертации представляет собой обзор литературы, относящейся к теме диссертации. Рассмотрено движение заряженных частиц в геомагнитном поле и адиабатические инварианты такого движения. Приводятся необходимые сведения о свистящих атмосфериках и магнитосферных излучениях в ОНЧ/КНЧ диапазоне – шипениях, хорах, дискретных излучениях. Перечислены особенности структуры радиационных поясов.
Структура и динамика радиационных поясов определяется взаимодействием источников и стоков частиц. Что касается стоков, то для протонов и ионов радиационных поясов основными являются ионизационные потери: частицы теряют свою энергию при ионизации и возбуждении атомов и ионов верхней атмосферы.
Для электронов кулоновское рассеяние более эффективно. Оно определяет время жизни электронов внутреннего пояса. Основным механизмом утечек электронов внешнего пояса считается циклотронная неустойчивость. Переход от внутреннего электронного пояса к внешнему (зазор между поясами) обусловлен резким возрастанием поглощения возбуждаемых при этой неустойчивости электромагнитных волн в области особо низких частот. Очень сложен вопрос о быстрых потерях энергичных электронов во время магнитных бурь. Одной из причин является уменьшение размеров области замкнутых дрейфовых оболочек при обжатии магнитосферы.
В высоких широтах энергичные электроны из внешнего радиационного пояса вдоль геомагнитных силовых линий способны проникать в среднюю атмосферу, где они теряют энергию на образование локальных трасс повышенной ионизации. Высыпающиеся электроны представляют собой основной источник ночной ионизации на высотах 70-90 км. Высыпание энергичных частиц радиационных поясов в атмосферу меняет её состав на больших высотах, а, следовательно, и прозрачность в различных участках спектра. Считается, что высыпания - это доминирующий прямой источник окислов азота в субавроральных широтах мезосферы. Таким образом, высыпания электронов из внешнего радиационного пояса - это один из агентов, обеспечивающих магнитосферно-атмосферные связи.
Во второй главе диссертации проведён статистический анализ данных наблюдений высыпаний энергичных электронов из внешнего пояса с борта ИСЗ «Метеор-3М №1» за 2002-2005 годы.
В случае если зеркальная точка отражения находится выше 200 км, преобладающим механизмом потерь является рассеяние электронов на электромагнитных волнах свистового диапазона, которое приводит к диффузии по питч-углам и высыпаниям в атмосферу. Измерения с борта ИСЗ «Метеор-3М №1» подтвердили, что на малых ( 1000 км) высотах высыпания электронов из радиационных поясов проявляются в форме очень узких пиков на более или менее плавных контурах потоков электронов радиационных поясов. Скорость счёта электронов в пике в два или более раз выше скорости счёта электронов по соседству с пиком. Типичная ширина пиков во времени не превосходит нескольких секунд, что соответствует AL 0,1. Это позволяет довольно определённо утверждать, что в данном случае мы наблюдаем поток энергичных электронов, высыпающихся в узкой трубке магнитных силовых линий. Такое возможно при наличии в данной трубке неоднородности в распределении концентрации магнитосферной плазмы - дакта. При этом локально могут сформироваться благоприятные условия для развития в такой системе циклотронной неустойчивости, что приводит к генерации и усилению электромагнитного излучения свистового диапазона, а также к локальному высыпанию энергичных электронов из радиационных поясов.
В данных бортовых радиационных измерений ИСЗ «Метеор-3М» №1 за 2002 г. было отобрано 955 событий высыпаний, за 2003 г. - 1155 событий высыпаний, 2004 г. – 999 событий высыпаний, 2005 г. – 386 событий высыпаний.
Для выявления широтных зон, в которых высыпания электронов из внешнего радиационного пояса фиксировались бортовой аппаратурой ИСЗ «Метеор-3М №1» наиболее часто, были построены гистограммы частоты появления событий высыпаний в зависимости от параметра Мак-Илвайна L. На рисунке 1 приведён пример такой гистограммы (по оси абсцисс – параметр L, по оси ординат – число событий) за 2003 год.
/КНЧ магнитосферные излучения: шипения, хоры, дискретные излучения
Радиационные пояса расположены в интервале геоцентрических расстояний от 2 до 6 радиусов Земли [64]. Движение захваченных частиц c энергией менее 1 ГэВ в дипольном поле можно представить как суперпозицию трех независимых движений: циклотронное (ларморовское) вращение вокруг магнитной силовой линии, баунс-колебания между точками отражения и азимутальный дрейф.
Ларморовское вращение совершается с периодом 1: где Е - кинетическая энергия частицы в МэВ, Е0 - энергия покоя частицы в МэВ (для электрона Е0= 0.51 МэВ, для протона Е0= 938 МэВ) и В – магнитное поле в Гс. Ларморовская частота 1/1 электронов вблизи Земли 1 МГц, протонов – 1 кГц, при удалении от Земли частота уменьшается как 1/Rз. Ларморовский радиус электронов радиационных поясов в геомагнитном поле не превосходит нескольких километров, а для протонов его величина может достигать нескольких сотен километров [23, 34]. Период колебания частицы между точками отражения: r2(сек) = 8.5x10-2Z . 1 + E/E0T2(a) (1.3.5) JE2/E02+2E/E0 где Т2 ()= 1,3-0,563 sinэ, L – параметр Мак-Илвайна (расстояние от центра Земли до вершины геомагнитной силовой линии, измеренное в земных радиусах). Дрейф вокруг Земли по долготе для частиц с разными знаками заряда происходит в противоположных направлениях (электроны движутся на восток, протоны – на запад) [99]. Период дрейфа вокруг Земли: т3 (мин)=88(1±ЕЫЛ (1.3.6) 2 + E/E LE где K= 1,25-0,25 cos 2m, m – геомагнитная широта точки отражения, Е – в МэВ. Для нерелятивистских частиц 3= 44/(LЕ). Движение частиц в статичном магнитном поле можно описывать с помощью адиабатических инвариантов. С каждым из рассмотренных периодических движений (вращение, продольное движение вдоль геомагнитного поля, перпендикулярный дрейф) можно связать так называемый адиабатический инвариант движения частицы - величину, сохраняющуюся (в среднем) при движении частицы, если за время, характерное для данного типа движения (1,2,3), изменением магнитного поля можно пренебречь [30].
Первым адиабатическим инвариантом является магнитный момент частицы [23]: где pi - составляющая импульса частицы, перпендикулярная магнитному полю. Он связан с циклотронным вращением частиц вокруг геомагнитного поля (рисунок 7.[a]). Второй, или продольный инвариант (инвариант продольного действия) I = jv{{dl = P \-BIBотрdl (1.3.8)
Он связан с колебанием частиц между зеркальными точками вдоль направления магнитного поля (рисунок 7.[б]) при наличии возвращающей (зеркальной) силы F=-uVB. Эта сила всегда действует вдоль поля в сторону его уменьшения. Это означает, что vy уменьшается до нуля в максимуме напряженности поля (Вм), а затем меняет знак. В нашем случае: I = 2ml vx (1.3.9) где v - составляющая скорости частицы параллельная магнитному полю, а / -расстояние между зеркальными точками. В процессе движения частицы вдоль силовой линии при сохранении магнитного момента выполняется соотношение sm2/B=const. Отсюда, зная питч-угол на экваторе, можно определить напряженность поля в точке отражения:
Используя эти два инварианта, а также то, что Е = const в постоянном магнитном поле, можно показать, что в дипольном поле частицы с разными энергиями и питч-углами, находящиеся на одной силовой линии, при дрейфе вокруг Земли движутся практически по одной и той же дрейфовой оболочке. Поэтому трехмерное представление захваченной радиации сводится к двумерному и характеризуется функцией двух координат: L = Rэ/RE и В. В том случае, когда точки отражения захваченных частиц находятся на малых высотах над поверхностью Земли, для учета влияния атмосферы на захваченные частицы вводят параметр hmin - минимальную высоту над поверхностью Земли, на которую опускается частица на данной дрейфовой оболочке L.
Третий инвариант Ф определяется как поток геомагнитного поля через экваториальную плоскость вне данной L-оболочки [23, 24]. Физически он обусловлен дрейфом частиц поперек силовых линий и имеет несколько составляющих. Самых важных – две. Первая – это градиентный дрейф, вызванный уменьшением напряженности геомагнитного поля с увеличением геоцентрического расстояния, что способствует изменению радиуса
Три характерных типа движения захваченных протонов и электронов радиационных поясов Земли. циклотронного вращения (рисунок 8), приводящего к поперечному смещению орбиты (рисунок 7[в]). Вторая обеспечивается кривизной силовых линий поля и возникающей за счёт этого центробежной силой, которая также приводит к поперечному смещению орбиты.
Временные вариации и неоднородности электрического и магнитного полей регулируют вращение, колебания вдоль силовой линии и долготный дрейф захваченных частиц [39].
Электроны образуют два радиационных пояса: внутренний на L 2.5 и внешний на L 3. Протоны не имеют такой структуры: с уменьшением L появляются протоны все больших энергий. Так как земной магнитный диполь сдвинут относительно центра Земли, на высотах менее 1200 км пояса регистрируются в довольно ограниченной области. Внутренний пояс - только над Бразилией, а электроны внешнего пояса - в узких полосах в северном и южном полушариях вокруг всей Земли.
Структура и динамика радиационных поясов определяются взаимодействием источников и стоков частиц [96, 100]. Первичные источники захваченных частиц – это солнечный ветер и ионосфера, а самые энергичные частицы образуются в космических лучах и продуктах распада нейтронов, генерируемых в результате взаимодействия космических лучей с атмосферой. В качестве источников частиц радиационных поясов привлекаются следующие процессы:
Частота появления событий высыпаний в зависимости от параметра Мак-Илвайна
Электромагнитные волны, проникающие в околоземное космическое пространство, могут быть вызваны не только естественными, но и искусственными источниками низкочастотных электромагнитных излучений. Известно, что Земля представляет собой мощный излучатель в радиодиапазоне (на частотах более 1 Мгц), однако многие наземные объекты излучают и на частотах значительно меньших плазменной частоты в ионосфере (сотни кГц). В первую очередь это касается различных радиостанций (от средне - до сверхдлинноволнового диапазона), а также объектов с большим потреблением энергетических мощностей, излучения от которых попадают в свистовую моду для околоземной космической плазмы и могут эффективно взаимодействовать с электронами высоких энергий радиационных поясов Земли.
Таблица Источник энергии Область вторжения Средний поток энергии (Вт) Способпереносаэнергии Потери энергии в ионосфере (Вт) Потери энергии в магнитосф ере (Вт) Энергияизлучения(Вт/м) Частота (кГц)
Землетрясения Нижняя ионосфера Акустическая волна Взрывы Нижняя ионосфера Электрическое поле В таблице 2 [28] приведены потери мощности излучения в определённых частотных диапазонах в ионосфере и магнитосфере Земли. Видно, что интенсивности искусственных и естественных источников низкочастотных излучений (в определённых частотных диапазонах), по крайней мере, сопоставимы. Это означает, что процессы, возникающие при воздействии наземных источников генерации низкочастотных излучений на ионосферу и магнитосферу Земли, могут быть заметны на фоне естественных источников низкочастотных излучений. Среди воздействий на ОКП радиоизлучением различных типов выделяют контролируемые и неконтролируемые.
К неконтролируемому типу воздействия можно отнести излучение от линий электропередач и промышленных объектов, потребляющих большие энергетические мощности, а также излучения, возникающие при взрывах и землетрясениях, при которых акустические волны трансформируются в электромагнитные. Заметную роль играют излучения от молниевых разрядов, распространяющиеся в свистовой моде.
К контролируемому типу воздействия могут быть отнесены эксперименты по высокочастотному нагреву ионосферы (т.е. направленное в ионосферу излучение передатчиков, работающих на частоте 3-8 МГц с модуляцией на более низкой частоте). Такое воздействие может приводить к генерации ОНЧ-КНЧ волн в магнитосфере и геомагнитных пульсаций Pc5, к созданию неоднородностей в плазме (с характерным размером 10-105 см), на которых может происходить как рассеяние, так и поглощение радиоволн в различных режимах возбуждения неоднородностей. Импульс мощностью 2 Мвт и длительностью несколько миллисекунд может возбуждать плазменные волны, стимулировать авроральные эмиссии и вызывать низкочастотные электромагнитные волны на частоте модуляции [24]. В результате межволнового взаимодействия электронно-циклотронная турбулентность может трансформироваться в сторону низких частот и возбуждать ионно-звуковые и ионно-циклотронные колебания, которые нагревают ионы. Могут возникать и эффекты, связанные с высыпанием потоков частиц в ионосферу.
Экспериментам по стимулированию высыпаний частиц из радиационных поясов предшествуют тщательные наблюдения за состоянием магнитосферы [8]. Результаты этих наблюдений позволяют выбрать подходящее время для экспериментов – изучение геофизических эффектов стимулированных высыпаний требует спокойного состояния магнитосферы, чтобы проще было отделять искусственные эффекты, связанные с генерацией стимулированных высыпаний, от естественных, связанных с повышенной геомагнитной активностью [13]. Поэтому такие эксперименты предпочтительнее проводить при невысокой геомагнитной активности.
При уходе захваченной частицы из радиационного пояса вектор её скорости должен изменить направление так, чтобы возросла энергия продольного движения за счет уменьшения энергии вращательного движения. Это означает, что частицы, удерживаемые магнитным полем, обладают явной анизотропией распределения скоростей: среди захваченных частиц отсутствуют такие, вектор скорости которых составляет с силовой линией угол, меньший некоторого критического значения 0, при котором частица отражается до выхода в плотные слои атмосферы. Об удерживаемых частицах говорят, что они находятся за пределами «конуса потерь», определяемого углом 0. Для того чтобы захваченная магнитным полем частица могла уйти вдоль силовой линии, вектор её скорости должен быть переведен внутрь конуса потерь.
Если вдоль силовой линии распространяется электромагнитное возмущение, то его воздействие на отдельные частицы, вообще говоря, невелико. Однако, оно может стать значительным при определённом соотношении частоты волны, циклотронной частоты и продольной (направленной вдоль магнитного поля) составляющей скорости частицы. В этом случае частица «ощущает» поле волны при фиксированной фазе: на частицу действует почти постоянная сила, поворачивающая вектор скорости. Вектор скорости может перейти в конус потерь, и частица уйдет из магнитной ловушки [50, 52]. Электромагнитные волны («свисты») распространяются вдоль силовых линий магнитного поля и способны перевести захваченные электроны в конус потерь. Энергия электрона внешнего радиационного пояса, при которой этот процесс наиболее эффективен, составляет 30-40 кэВ.
Данные о скоростях счета электронов с энергией более 40 кэВ на орбите ИСЗ «Метеор-3М №1» поставлял гейгеровский счётчик МИП-1 из состава, разработанного в НИИЯФ МГУ, комплекса аппаратуры МСГИ-5ЕИ, предназначенного для измерения дифференциальных спектров как электронной, так и протонной компонент корпускулярных излучений. МИП-1 обеспечивал измерение скорости счёта электронов с энергией более 40 кэВ с дискретностью 5 измерений в секунду. В таблице 3.2 приведены информационные характеристики комплекса аппаратуры МСГИ-5ЕИ.
Наблюдения стимулированных высыпаний электронов с энергией более 40 кэВ с борта ИСЗ «Метеор-3М №1».
Впервые возможность существования продольных (вдоль магнитного поля) электрических полей в космосе допустил Альвен [35], который опирался на опыт, приобретённый в лабораторных экспериментах. Продольное электрическое поле само по себе трудно измерить непосредственно, но косвенные свидетельства его существования дают измерения функций распределения по скоростям электронов и ионов как снаружи, так и внутри области локализации продольного электрического поля. Важным шагом было открытие структур обратного V [55] и их связи с электрическим полем конвекции [60]. В структуре обратного V энергия, при которой поток частиц достигает своего максимума, сначала возрастает, а затем убывает по мере прохождения спутником исследуемой области. В наблюдениях на низкоорбитальных спутниках (ESRO 1A, апогей 1533 км) потоков ионов и электронов по бокам структур обратного V имеются указания на наличие вдоль магнитных силовых линий противоположно направленных скачков электрического потенциала [66].
Противоположно направленные продольные электрические поля привлекались Kaufmann [69] для объяснения одновременных наблюдений электронов, движущихся с ускорением как вверх, так и вниз.
С борта ИСЗ S3-3 были обнаружены так называемые «электростатические ударные волны» [76, 77, 91, 92, 94], также подразумевающие существование продольных электрических полей. Это ограниченные (несколько километров) области сильных (несколько сотен мВ/м) поперечных электрических полей. Если бы не было продольных электрических полей, т.е. если бы магнитные силовые линии были эквипотенциальны, то напряжённость электрического поля не превышала бы нескольких десятков мВ/м вблизи апогея орбиты ИСЗ S3-3. Однако, имеющийся на борту ИСЗ S3-3 двойной зонд зарегистрировал в электростатических ударных волнах напряжённость поля в несколько сот мВ/м. Это означало, что где-то на магнитной силовой линии присутствуют продольные электрические поля, которые нарушают эквипотенциальность магнитной силовой линии: разница между горизонтальными вариациями потенциала на больших и на малых высотах должна проявляться в виде скачка потенциала вдоль силовой линии магнитного поля, локализованного на промежуточной высоте. Интегрирование наблюдавшихся в типичных электростатических ударных волнах на больших высотах поперечных электрических полей показало, что ниже спутниковой орбиты должны существовать продольные электрические поля порядка нескольких киловольт в хорошем соответствии с наблюдениями функций распределения частиц.
Хотя электростатические ударные волны характеризуются поперечными к магнитному полю электрическими полями, в нескольких случаях была замечена существенная продольная составляющая электрического поля. [77] сообщили о регистрации направленного вверх продольного электрического поля напряжённостью 100 мВ/м. Длительность события соответствует примерно 2 км вдоль орбиты спутника. Однако, подобные события - редкость в данных ИСЗ S3-3. В [45] сообщили о наблюдении на низколетящем спутнике S3-2 события, в котором электрическое поле имело продольную составляющую 10 мВ/м в течение 1 секунды. Такая длительность события соответствует немногим менее 10 км горизонтального расстояния.
Анализ данных наблюдений функции распределения электронов по скоростям показал, что продольные электрические поля, по большей части, локализованы на высотах 4000-10000 км [59]. Mozer [77] заключил, что продольные электрические поля, относящиеся к электростатическим ударным волнам, распространяются на высоты ниже 2000 км и возможно даже ниже 1100 км, что хорошо согласуется с выводом [65]. С борта французского ИСЗ «DEMETER» измерялось электрическое поле в точках орбиты, близких к месторасположению HAARP [89]. Спутник функционировал с июня 2004 г. по декабрь 2010 г. на круговой орбите с наклонением 98.3 и высотой от 660 до 710 км; дневные пролеты - 10-11 LT, ночные 22-23 LT. В полосе частот КНЧ диапазона 10 Гц - 1.25 кГц измерялись три взаимно ортогональные компоненты электрического и магнитного полей. В полосе частот ОНЧ диапазона 10 Гц - 20 кГц измерялась одна компонента электрического и магнитного полей. Измерение электрических полей осуществлялось прибором ICE, магнитных полей - IMSC. ИСЗ совершал 14 витков за день и проводил измерения на геомагнитных широтах от -65 до 65. Измерения над установкой HAARP с борта этого спутника выполнялись только по специальным запросам руководителей проводившихся на HAARP экспериментов, и поэтому были относительно редкими. Во время нагревного эксперимента ИСЗ «DEMETER» зарегистрировал продольное электрическое поле на высоте 670 км над HAARP. Авторы предложили несколько объяснений этого факта. Например, система координат спутника могла не точно совпадать с направлением силовой линии геомагнитного поля и продольное электрическое поле - это просто ненулевая проекция электрического поля, перпендикулярного геомагнитному полю. Кроме того, это поле может возникать в волнах сжатия, которые генерируются при нагреве электронов ниже максимума F-области.
Электрические токи в ионосфере, в основном, перпендикулярны магнитному полю, но параллельны ему в самых верхних слоях ионосферы и в большей части магнитосферы, за исключением области вблизи экваториальной плоскости. Токи достаточно велики, чтобы повлиять на движение плазмы, но всё же не настолько велики, чтобы очень сильно изменить геомагнитное поле на расстояниях от Земли, меньших 30000 км.
Пусть в цилиндрической системе координат электрическое поле в плазме однородно и направлено вдоль оси z, а магнитное поле, которое может вызываться как токами, текущими в плазме, так и за счёт внешних источников, имеет ф- и z-компоненты. Считая, что тепловое давление плазмы значительно меньше магнитного давления (с учётом магнитного давления геомагнитного поля от внутриземного диполя), рассмотрим плазму с током Iz, создаваемым электронами с энергией более 40 кэВ, в бессиловом магнитном поле (электрический ток протекает вдоль магнитной силовой линии). При большой, но не бесконечной, электропроводности плазмы допускается существование продольного электрического поля Ez. На большом радиальном расстоянии от тока магнитное поле B =2IJrc, Iz - полный ток, текущий в направлении z внутри цилиндра радиуса г. Если направления электрического поля и тока совпадают, то под влиянием электрического поля происходит дрейф плазмы внутрь по радиусу со скоростью: