Введение к работе
Актуальность проблемы
Работа посвящена исследованию динамики потоков электронов с энергией 10 -10 эВ, регистрируемых в магнитосфере Земли, в зависимости от параметров, характеризующих состояние магнитного поля Земли, межпланетного магнитного поля (ММП), солнечного ветра (СВ) и оценке влияния потоков этих частиц на функционирование геостационарных космических аппаратов (КА).
Магнитосфера Земли является внешней геофизической оболочкой нашей планеты и находится под постоянным воздействием процессов, происходящих в межпланетном пространстве, передавая это воздействие на внутренние оболочки - ионосферу и атмосферу. Наличие у Земли магнитного поля приводит к захвату энергичных частиц и образованию радиационных поясов.
Внешний радиационный пояс Земли является динамичным образованием - интенсивность потоков высокоэнергичных электронов (105-107 эВ) может резко возрастать и спадать во время магнитных бурь на 1 -3 порядка. Механизмы ускорения магнитосферных электронов до релятивистских энергий пока не выяснены, и задача их выявления является одной из самых актуальных в геофизике. Актуальность задачи описания комплекса факторов, приводящих к возрастанию потоков релятивистских электронов, определяется тем, что эти частицы представляют серьезную опасность для функционирования КА, в связи с чем их называют «электроны-убийцы» (killer-electrons).
В бесстолкновительнон магнитосферной плазме ускорение частиц преимущественно связано с взаимодействием волн и частиц. Из всех электромагнитных излучений в околоземной среде наибольшей мощностью обладают ультранизкочастотные (УНЧ) волны диапазона Рс5: 1-10 мГц. Статистические исследования роли УНЧ процессов в магнитосфере сдерживались отсутствием простого параметра, характеризующего общий уровень УНЧ турбулентности в околоземной среде. Для этой цели в Институте физики Земли РАН был предложен волновой ULF-индекс (ULF - Ultra Low Frequency по международной терминологии), характеризующий глобальный уровень волновой активности магнитного поля Земли. Оценка возможности применения этого индекса в различных задачах геофизики, в том числе в задачах, связанных с ускорением электронов в магнитосфере, до сих пор не проводилась. С использованием этого индекса в данной работе проводится оценка связи волновой активности геомагнитного поля с вариациями потоков релятивистских электронов, и оценивается возможность реализации в магнитосфере
механизма, при котором ускорение электронов происходит из-за их взаимодействия с УНЧ волнами при различных условиях, сложившихся в системе солнечный ветер - магнитосфера.
Из-за неполноты физических моделей и отсутствия общепринятого сценария ускорения магнитосферных электронов до релятивистских энергий более эффективным решением задачи прогноза вариаций потоков электронов являются эмпирические модели, использующие параметры, вариации которых вносят больший вклад в вероятность возрастания потоков. Несмотря на большое число предложенных моделей, до сих пор не существует модели, удовлетворительно предсказывающей появление экстремальных потоков релятивистских электронов с временным разрешением, представляющим практический интерес. Создание такой модели позволит прогнозировать рост потоков релятивистках электронов в области геостационарной орбиты с целью защитить функционирующие КА.
Также актуальной является задача сбора и систематизации достоверных данных о нарушениях, регистрируемых в бортовой аппаратуре КА. Выявление факторов космического окружения, ответственных за нарушения в работе геостационарных КА, в частности - потоков электронов и протонов различной энергии, является одной из задач диссертации.
Цель и задачи работы
Цели работы:
Изучение динамики потоков электронов с энергией от десятков кэВ до первых МэВ во внешнем радиационном поясе Земли, статистическая оценка связи возрастаний потоков с параметрами, определяющими состояние магнитосферы и солнечного ветра, определение возможных физических механизмов ускорения электронов до релятивистской энергии.
Создание эмпирической модели, предсказывающей экстремальные возрастания потоков релятивистских электронов в области геостационарной орбиты.
-Анализ влияния потоков электронов и протонов с энергией 104-107 эВ на функционирование работы бортовой аппаратуры высокоорбитальных КА.
В процессе исследования решались следующие задачи:
Изучение свойств новых геофизических ULF-индексов, статистическая оценка связи глобальной волновой активности, характеризуемой ULF-индексами, с факторами, характеризующими состояние околоземной среды.
Анализ связи вариаций потоков релятивистских электронов на расстояниях от 3 до 6.6 Re (где RE - радиус Земли) с волновой активностью магнитосферы в диапазоне Рс5, геомагнитной и авроральной активностью и параметрами солнечного ветра по данным
геостационарных спутников серий LANL и GOES и российского низковысотного спутника КОРОНАС-Ф.
Сравнительный анализ характера возрастаний потоков электронов с 104-107 эВ на расстояниях от 3RE до 6.6 RE, вызванных высокоскоростными потоками солнечного ветра из корональных дыр или приходом к орбите Земли выбросов корональных масс.
Построение эмпирической модели для предсказания экстремальных возрастаний потоков электронов, выбор оптимальных входных параметров и оценка их вклада в результат.
- Изучение связи отказов в работе бортовой аппаратуры геостационарных КА с потоками
электронов и протонов с энергиями от 10 до 10 эВ с использованием базы данных по
аварийным ситуациям на КА, зарегистрированных в период 1986-1996 гг.
Научная новизна
Впервые предложен интегральный волновой ULF-индекс, который лучше, чем любой из существовавших ранее параметров космической погоды, характеризует возрастание потоков релятивистских электронов на геостационарной орбите.
Разработана новая эмпирическая модель для предсказания роста потоков релятивистских электронов в области геостационарной орбиты с эффективностью предсказания -80% и временным разрешением 6 часов.
Впервые статистически подтверждено, что помимо электронов релятивистской энергии негативное влияние на геостационарные КА оказывают электроны с энергией от десятков до сотен кэВ.
Впервые показано и статистически обосновано, что элементы КА подвержены негативному влиянию протонов средней энергии (от 50 кэВ до 3 МэВ) в большей степени, чем протонов с энергией от 10 МэВ, как считалось ранее.
Положения, выносимые на защиту:
Длительное увеличение волновой активности магнитосферы в диапазоне Рс5, характеризуемой ULF-индексом, является одним из факторов, обуславливающих возрастания потоков релятивистских электронов в магнитосфере на расстояниях от 4 до 6.6/?.
Необходимым условием для роста потоков электронов с =105-107 эВ на дрейфовых оболочках L = 4 - 6.6 является инжекция в магнитосферу электронов с энергией около 100 кэВ во время суббурь.
Интегральный волновой ULF-индекс, предложенный в данной работе, лучше, чем любой из существовавших ранее параметров космической погоды, характеризует вариации потоков релятивистских электронов в области геостационарной орбиты.
Эмпирическая модель для предсказания роста потоков релятивистских электронов в области геостационарной орбиты, использующая в качестве входных параметров индексы волновой и авроральной активности и скорость солнечного ветра, дает возможность предсказать рост потоков с эффективностью 80% и горизонтом предсказания 6 часов.
Помимо потоков электронов релятивистской энергии, негативное влияние на элементы КА оказывают потоки электронов с энергией от десятков до сотен кэВ. Протоны сравнительно небольшой энергии (от 50 кэВ до 3 МэВ) представляют большую опасность для функционирования КА, чем потоки протонов с энергией от 10 МэВ и выше.
Научная и практическая ценность
Показано, что вариации потоков релятивистских электронов связаны с волновой активностью магнитосферы в диапазоне Рс5, причем характер этой зависимости в процессе ускорения электронов зависит от структур солнечного ветра, взаимодействующих с магнитосферой, и от дрейфовой оболочки. Показано, что интенсивность магнитной бури и даже ее наличие не связаны с возрастанием потоков релятивистских электронов.
Апробация нового ULF-индекса и введение интегрального ULF-индекса продемонстрировали, что они являются важными для задач космической геофизики параметрами, характеризующими глобальную волновую активность магнитосферы в УНЧ диапазоне.
Построенная эмпирическая модель способна за несколько часов предсказывать возрастания потоков релятивистских электронов в области геостационарной орбиты, что позволит защитить функционирующие КА.
Показано, что наряду с релятивистскими электронами и высокоэнергичными протонами опасность для функционирования КА представляют электроны с меньшей энергией (50-200 кэВ) и протоны сравнительно небольшой энергии (50 кэВ - 3 МэВ).
Личный вклад автора
Все результаты, изложенные в диссертации, получены автором самостоятельно. Автором был поставлен ряд задач по исследованию особенностей связи вариаций потоков релятивистских электронов с условиями в СВ и магнитосфере. Автором скомпилирована база данных об отказах на КА и авариях при запусках ракетоносителей за большой период
времени, самостоятельно подобраны и проанализированы необходимые данные наземных и спутниковых измерений. Создан комплекс интерактивных и пригодных для широкого использования программ в пакете Matlab для проведения статистического исследования и построения регрессионных моделей.
Достоверность результатов, представленных в диссертации, подтверждается тем, что они получены на большом статистическом материале, с использованием физически и математически обоснованных методов. Полученные в работе закономерности находятся в качественном согласии с результатами исследований в мировой геофизике.
Апробация работы
Результаты, вошедшие в диссертацию, были представлены автором на ряде научных всероссийских и зарубежных конференций: «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика», 10-я межд. науч.-техн. конф. студентов и аспирантов, Москва, МЭИ (2004); Байкальская молодежная научная школа по фундаментальной физике, Иркутск (2003, 2004); Научная ассамблея COSPAR (2004, 2006); Международная конференция по физике солнечно-земных связей, Иркутск (2004); Международные семинары «Physics of Auroral Phenomenon», Апатиты (2005, 2007, 2008); Международная конференция «Problems of Geocosmos», Санкт-Петербург (2004, 2006); Научная ассамблея IAGA (2005,2009); Всероссийская ежегодная конференция «Солнечная и солнечно-земная физика», Санкт-Петербург, ГАО РАН (2007, 2008); European Planetary Science Congress, Berlin (2006); International Symposium on Recent Observations and Simulations of the Sun-Earth System, Varna (2006); International School of Space Science «Turbulence and Waves in Space Plasmas», l'Aquila (2007); European Space Weather Week, Brussels (2007); Inner Magnetosphere Coupling workshop, Helsinki (2008); Конференция молодых учёных и аспирантов ИФЗ РАН, Москва (2009).
Результаты работы также обсуждались на расширенных научных семинарах в ИФЗ РАН, ИКИ РАН, НИФ им. Фока (Санкт-Петербург), ГАО РАН (Санкт-Петербург), Лаборатории Физики Высоких Энергий ОИЯИ (Дубна), Belgian Institute for Space Aeronomy (Brussels), Cyclotron faculty Louvain-la-Neuve University (Belgium).
Публикации
Основные результаты диссертации опубликованы в 17 статьях в российских и зарубежных журналах, из них 9 - в рецензируемых изданиях из списка ВАК, 2 - в рецензируемых журналах, 6 - в сборниках и в трудах конференций.
Структура и объем диссертации
