Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Характеристики кольцевого тока 9
Общие характеристики 9
Источники и динамика кольцевого тока 12
Потери частиц кольцевого тока 15
Энергетический спектр частиц кольцевого тока 16
Зависимость от местного времени 18
Питч-угловое распределение 19
Индекс геомагнитной активности Dst 20
Заключение к главе 20
Глава 2. Характеристики приэкваториального протонного образования 22
Эксперименты по исследованию потоков протонов с энергиями от десятков кэВ до нескольких МэВ вблизи геомагнитного экватора 22
Географическое распределение 26
Зависимость потока от L,B и высоты 29
Зависимость потока протонов от L 31
Питч-угловое распределение 39
Долготная зависимость 45
Связь потоков протонов с геомагнитной активностью 52
Зависимость от местного геомагнитного времени 61
Энергетический спектр 68
Время жизни протонов на малых высотах 80
Ларморовское вращение 80
Колебательное движение 82
Азимутальный дрейф 82
Потери на перезарядку 84
Кулоновское рассеяние 87
Форма энергетического спектра 88
Глава 3. Механизмы заброса протонов кольцевого тока в приэкваториальную область .89
Радиальная диффузия 89
Квазистационарное электрическое поле, КНЧ - ОНЧ волны и экваториальный электроджет 94
Низкочастотные волны
Высокочастотные волны 97
Квазипостоянные электрические поля 98
Приэкваториальный электроджет 101
Двойная перезарядка 102
Заключение 105
Литература 109
- Энергетический спектр частиц кольцевого тока
- Эксперименты по исследованию потоков протонов с энергиями от десятков кэВ до нескольких МэВ вблизи геомагнитного экватора
- Зависимость от местного геомагнитного времени
- Квазистационарное электрическое поле, КНЧ - ОНЧ волны и экваториальный электроджет
Введение к работе
Актуальность работы
Данная работа посвящена исследованию потоков протонов под радиационными поясами Земли (L<1.15). Исследование потоков заряженных частиц в глубине магнитосферы позволяет решать ряд фундаментальных задач, связанных с процессами, происходящими на границе зоны устойчивого захвата радиации, происхождением, захватом и ускорением частиц, их переносом вглубь магнитосферы.
Вскоре после открытия радиационных поясов Земли была развита теория формирования радиационных поясов (диффузионная теория Тверского Б.А.), которая прекрасно объяснила множество особенностей распределения потоков заряженных частиц в поясах, например, наличие максимума потоков протонов с энергией в десятки кэВ -несколько МэВ на L-3-4. Предсказания величины потока были весьма удовлетворительны, как в максимуме пояса, так и во внутренней его части. Теория предсказывала монотонное уменьшение потока протонов по мере уменьшения L, по мере приближения к Земле, которое действительно наблюдалось в эксперименте.
Однако, в конце 60-х - начале 70-х годов в эксперименте на борту ИСЗ AZUR, а позже и в других экспериментах было обнаружено, что в приэкваториальной области (L<1.15) на малых высотах (до ~1000 км) наблюдается возрастание потока протонов с указанными выше энергиями по сравнению с потоками на больших L. Такое возрастание не объясняется диффузионной теорией, и вскоре был предложен механизм явления, которое напрямую переносит протоны из радиационного пояса и кольцевого тока на малые L, так называемый механизм двойной перезарядки. Развитая теория предсказывала, что должна существовать зависимость потока протонов от уровня геомагнитной активности, что поток протонов вблизи геомагнитного экватора не должен зависеть от местного геомагнитного времени, высоты и L. 5
В результате ранних наблюдений, выполненных в приэкваториальной области на L<1.15, были получены противоречивые результаты. Согласно одним из них, потоки протонов с указанной энергией уменьшаются с ростом геомагнитной активности, согласно другим - увеличиваются, что противоречит гипотезе о двойной перезарядке. Не была объяснена обнаруженная в некоторых экспериментах зависимость потока от местного геомагнитного времени, существовала неоднозначность в показателе спектра приэкваториальных протонов. Проведенные ранее эксперименты позволили получить данные о потоках протонов в области L<1.15 лишь в узких интервалах высот, отсутствовала полная картина распределения потоков протонов по высотам.
Общепринятая в настоящее время модель захваченной радиации АР8 учитывает потоки протонов с энергий до нескольких МэВ только на L>1.15.
Для построения модели распределения потоков радиации во всем интервале значений L-параметра необходимо знание распределения потоков протонов с энергией в десятки кэВ - несколько МэВ в приэкваториальной области (L<1.15). Для этого необходимо знать, как меняются потоки протонов с изменением уровня геомагнитной активности, необходимо выяснить особенности распределения потоков протонов в зависимости от местного времени, L, В, долготы и других параметров. Эти данные могут быть использованы для оценки поверхностной дозы радиации, которую получают космические аппараты при длительном полете.
Полученная в последние годы экспериментальная информация с ИСЗ «Интеркосмос-24», «Университетский - Татьяна», орбитального комплекса «МИР» (НИИЯФ МГУ), а также с ИСЗ «NOAA TIROS-N», «NOAA POES-17», «SAMPEX» позволила провести исследование указанных особенностей распределения потоков протонов с энергиями от десятков кэВ до нескольких МэВ на L<1.15. Объем этих данных позволил впервые провести исследование с высокой статистической точностью для всего интервала высот, где наблюдаются возрастания потока протонов в приэкваториальной области (до 1300 км).
Цель работы
Целью данной работы является изучение характеристик потоков протонов (с энергией от десятков кэВ до нескольких МэВ) на высотах до 1300 км в области геомагнитного экватора (L<1.15).
Задача работы
Задачей данной работы является сопоставление особенностей распределения потоков протонов с энергией от десятков кэВ до нескольких МэВ в приэкваториальной области и в кольцевом токе.
Научная новизна и значимость работы
Научная значимость работы. Получена исчерпывающая информация о распределении потоков протонов с энергиями от десятков кэВ до нескольких МэВ под радиационными поясами Земли в области геомагнитного экватора (L<1.15) в диапазоне высот 200-1300 км.
Новизна работы. Между внутренним радиационным поясом и верхней кромкой атмосферы в высотном интервале 200-1300 км регулярно наблюдаются возрастания потоков протонов с энергиями от десятков кэВ до нескольких МэВ. Показано, что энергетический спектр протонов в приэкваториальной области может быть аппроксимирован каппа-функцией. В зависимости потока протонов от L обнаружено существование двух максимумов для высокоэнергичных частиц (Е>100 кэВ) и одного максимума для низкоэнергичных (Е<100 кэВ).
Практическая ценность работы
Результаты могут быть использованы для уточнения существующих моделей распределения радиации в зоне захвата. Данные о распределении потоков протонов под радиационными поясами позволяют получать информацию о распределении потоков протонов в максимуме радиационного пояса и кольцевого тока (L-3-6).
Личный вклад автора
Автором было проведено всестороннее исследование характеристик потока протонов вблизи геомагнитного экватора на L<1.15. Им были созданы программы для обработки данных, полученных в экспериментах на борту ИСЗ «Интеркосмос-24», «Университетский - Татьяна », ОК «МИР» и ИСЗ «NOAA TIROS-N», «NOAA POES-17», «SAMPEX», и проанализированы результаты экспериментов. Для исследования привлекались данные, полученные на борту ИСЗ «Космос-378», «Коронас-И», «Космос-484», «Esro-4», «S81-1», «OHZORA», «AZUR», «OVI-17», «OVI-19». Автор получил зависимость потока от уровня геомагнитной активности, построил зависимости потока от местного геомагнитного времени, питч-угловые распределения, энергетический спектр, высотный ход потоков протонов, провел расчет характерного времени существования приэкваториальных протонов вблизи Земли.
Основные результаты, выносимые на защиту
В диссертационной работе защищаются результаты: измерения энергетического спектра протонов на L<1.15 и вид аппроксимации спектра, анализа зависимости потока протонов от высоты, анализа зависимости потока протонов от уровня геомагнитной активности, анализа зависимости потока протонов от местного геомагнитного времени. анализа зависимости потока протонов от L,B, анализа долготной зависимости.
Апробация работы
Материалы диссертации докладывались и обсуждались на научных семинарах НИИЯФ МГУ им. Д.В. Скобельцына, Московского инженерно-физического института, Института прикладной геофизики им. акад. Е.К. Федорова, Центра космических исследований Польской академии наук, Института экспериментальной физики Словацкой академии наук, а также на конференциях: COSPAR-ESA Colloquium "Acceleration and Heating in the Magnetosphere", Konstancin Jeziorna, Poland, February 6-10,2001. The world space congress-COSPAR. Huston, USA, 10-19 October 2002
Международная научная конференция студентов, аспирантов и молодых ученых «Ломоносов-2002», Москва, 9-12 апреля 2002.
Международная научная конференция студентов, аспирантов и молодых ученых «Ломоносов-2003, Москва, 15-16 апреля 2003. Week of Doctoral Students, Prague, 11 th -14th June.2002.
International conference PLASMA 2003 Research and Applications of Plasmas, Warsaw, Poland, September 9-12.
3rd Workshop "Significant results in COST271 Action", 23 - 25 September 2003. ESA Space Weather Workshop: Developing European Space Weather Service Network ESTEC, Noordwijk, November 3-5,2003. Week of Doctoral Students, Prague, 6th -10th June.2005.
Шестая международная научно-практическая конференция «Пилотируемые полеты в космос», Звездный городок, 10-11 ноября 2005 г.
Обозначения, используемые в работе
ГСО - геостационарная орбита
ИСЗ - искусственный спутник Земли
КТ - кольцевой ток
ММП - межпланетное магнитное поле
ОК - орбитальный комплекс
ППД - полупроводниковый детектор
РП - радиационный пояс (Земли)
ЮАА - южно-атлантическая аномалия
Энергетический спектр частиц кольцевого тока
Типичные энергетические спектры ионов КТ представлены на рис. 3. В спокойные периоды спектры ионов КТ имеют глубокий минимум (провал) при E/Qj 20-И 00 кэВ. Этот провал сильнее всего выражен на L 4, а с увеличением L он смещается в сторону меньших энергий и постепенно вырождается. Положение этого провала определяется в основном ионизационными потерями ионов и различается для разных ионных компонент. Во время бурь ионы КТ инжектируются именно в эту энергетическую «нишу» (см. рис. 1, 2, 3), частично или полностью заполняя её: потоки ионов таких энергий возрастают во время бурь наиболее значительно и провал в спектрах исчезает (см., например, [6], [16-21]).
В спокойные периоды 75% полной энергии частиц в геомагнитной ловушке приходится на протоны с Е ЮО-Ї-400 кэВ (в радиационном поясе), а во время магнитных активизаций 90% этой энергии приходится на ионы с E/Qj 10+200 кэВ (в кольцевом токе) и максимум дифференциальной плотности энергии КТ приходится на E/Q( 30+80 кэВ (в зависимости от L) [6, 16, 21-24].
По наблюдениям на геостационарной орбите слабые и умеренные бури приводят к смягчению ионных спектров в диапазоне от десятков до сотен кэВ, а во время достаточно мощных бурь и суббурь спектры становятся жёстче [25-28]. По данным ИСЗ ГОРИЗОНТ-35 показано, что в диапазоне E/Q, = 41+133 кэВ на ГСО при Кр 5 в спектрах ионов Н+,
Не и О формируется "колено": плато при E/Q; 80 кэВ и резкий спад при больших энергиях [27].
Вблизи экваториальной плоскости энергетические спектры основных ионных компонентов (Н+, Не+, Не++ и группы CNO) в низкоэнергичной части спектра имеют максимум при д=0.5±0.2 кэВ/нТл (ц - первый адиабатический инвариант) близкую к экспоненциальной форму с Ео/Во = Цо = 0.35±0.25 кэВ/нТл при ц. 1.4±0.8 кэВ/нТл а в высокоэнергичной (ц 1.4±0.8 кэВ/нТл) степенную форму с параметром у=4.7±2.2. Между ними (0.1 ц 0.2 кэВ/нТл) в ионных спектрах имеется провал, который заполняется частицами буревого кольцевого тока. Весь спектр ионов кольцевого тока принципиально неравновесный и это справедливо как для спокойных, так и для возмущенных периодов. Аппроксимировать ионные спектры кольцевого тока можно и единой функцией [29].
Наиболее точно спектр описывает каппа-функция j А\1 + Е/кЕ0] , которая имеет те же особенности - близость к экспоненциальному распределению при малых энергиях (Е«кЕо) и степенной «хвост» при больших энергиях (Е»кЕо), однако при этой аппроксимации исчезает точная информация о реальных границах спектральных участков, в промежуточной области ход каппа-функции сильно зависит как от параметра к, так и Ео.
В главной фазе бури и в начале фазы восстановления кольцевой ток не является симметричным и находится, в основном, в ночной и утренней областях магнитосферы, что обусловлено сильными электрическими полями на дневной стороне магнитосферы. Дрейфовые оболочки заряженных частиц открыты, а ток представляет собой петлю тока, соединенного с магнитосферными и ионосферными токами (в том числе теми, что текут вдоль силовых линий магнитного поля). В конце фазы восстановления дрейфовые оболочки частиц становятся замкнутыми, поэтому кольцевой ток становится симметричным, его интенсивность не зависит от местного времени, является потенциальным и не замыкается с ионосферными токами. В таких событиях частицы инжектируются в довольно узкий околополуночный сектор (ALT 2-г-З ч). Во время бурь/суббурь концентрация горячей плазмы в околополуночном секторе (по данным спутников на ГСО увеличивается от 0.4-7-2 до 2-Т-5 см [30]. В этой области потоки ионов, особенно ионов с М \, очень чувствительны к изменениям уровня и характера геомагнитной активности и откликаются даже на незначительную суббуревую активность. По данным ИСЗ во время суббурь в околополуночной области авроральной магнитосферы генерируются вихревые электрические поля с напряжённостью до 15-г-ЗО мВ/м [31, 32], которые связаны с быстрым (в течение l-f-2 мин) переформированием магнитного поля и могут ускорять ионы до сотен кэВ [33]. Значительные суббуревые вариации потоков частиц с энергией более нескольких десятков кэВ имеют место только в узком околополуночном секторе (ALT 2-т-З ч), а последующий дрейф частиц приводит, вследствие дисперсии дрейфовых скоростей по энергии, к быстрому (в течение десятков минут) восстановлению потоков к квазистационарным уровням.
Типичные питч-угловые распределения протонов в зоне кольцевого тока представлены на рис. 8. Для характеристики анизотропии, следуя Паркеру, вводят показатель анизотропии q, так что питч-угловое распределение имеет вид j sin4 a. В середине кольцевого тока оно имеет "нормальную" форму (или форму "пончика") с максимумом при ао = 90 [34, 35]. С ростом энергии частиц анизотропия питч-углового распределения на данной L-оболочке увеличивается. С увеличением L в сердцевине ловушки анизотропия питч-углового распределения уменьшается и в районе ГСО они близки к изотропным, а на периферии ловушки питч-угловое распределение имеет форму «бабочки».
Зависимость показателя анизотропии от L приведена на рис. 7 [36]. В районе геостационарной орбиты распределения близки к изотропным (q l), а с увеличением энергии и с уменьшением L анизотропия увеличивается [37]. В максимуме кольцевого тока, т.е. на L-4 показатель анизотропии q 5-7, а внутри пояса достигает значения 10. Такие высокие показатели анизотропии связаны с сильными потерями в атмосфере на малых высотах.
Эксперименты по исследованию потоков протонов с энергиями от десятков кэВ до нескольких МэВ вблизи геомагнитного экватора
Для анализа зависимости потока приэкваториальных протонов от L,B были использованы данные, полученные в эксперименте SPE-1 на борту ИСЗ АКТИВНЫЙ (Интеркосмос-24). По данным по потокам протонов в энергетических каналах 30-500 кэВ построена зависимость среднего потока протонов от L,B. Данные представлены в виде двумерной сетки, в каждом из узлов которой поток отмечен цветом, зависящим от величины среднего потока. В результате анализа получены распределения, показанные на рис. 14, 15. Рис. 14 относится к данным, полученным на высотах до 1300 км, рис.15 - к данным, полученным на высотах выше 1300 км (до 2500 км). Аналогичные распределения потока от L, В для промежуточных высот от 500 до 1300 км, полученные в других экспериментах, мало отличаются от средних, показанных на рис. 14.
Границы полученных распределений определяются конфигурацией геомагнитного поля и орбитой спутника. Граница, лежащая на малых L и В, относится к плоскости геомагнитного экватора. Граница, лежащая на больших В, представляет из себя поверхность Земли (точнее поверхность, которую описывает перигей спутника).
Распределения показывают, что приэкваториальные протоны наблюдаются на высотах до 1300 км, а на больших высотах не наблюдаются. Из рисунков видно, что приэкваториальное протонное образование на высотах до 1300 км неоднородно и состоит как минимум из двух частей. Одна из них находится на В-0.2 и L 1.05, другая - на В-0.3 и L-1.15. Область больших L 1.2, ВО.2 относится к радиационному поясу и далее рассматриваться не будет.
Неоднородность и наличие нескольких максимумов в распределении потоков протонов от L, В указывают на возможность того, что существуют дополнительные источники протонов в приэкваториальной области. Не исключена возможность локального ускорения протонов в присутствии электрических полей. Наличие провала между отдельными максимумами может свидетельствовать о возможном существовании механизма, рассеивающего протоны (например, на электромагнитах волнах с частотой, близкой к ларморовской частоте вращения протона в геомагнитном поле - несколько сотен Гц).
Если протоны вблизи геомагнитного экватора (L 1.15) пополняются из радиационного пояса и кольцевого тока, то из этого факта следуют важные выводы о широтном распределении приэкваториальных протонов. Поскольку питч-угловое распределение протонов в радиационном поясе имеет резкий максимум вблизи 90, то область распределения приэкваториальных протонов должна быть достаточно узкой и максимум потока должен быть сконцентрирован вблизи геомагнитного экватора. Если же в широтном распределении обнаруживаются несколько пиков, а также другие особенности, то это возможно, указание на существование других источников протонов вблизи геомагнитного экватора на малых высотах.
По данным эксперимента на борту ИСЗ AZUR [44] сообщалось, что потоки протонов с энергией от 0.25 до 1.65 МэВ не проявляют в пределах статистической погрешности зависимости от номера L-оболочки (в пределах номера L от 0.99 до 1.14). Этот результат отображен на рис 16. Видно, что потоки протонов вблизи геомагнитного экватора выше, чем можно было бы ожидать из тренда уменьшения потоков по мере уменьшения L на L 1.15. Однако, никаких особенностей, например, существования максимума в распределении потоков протонов по L в первом эксперименте не было обнаружено.
Однако в работе [47] отмечалось, что такая зависимость существует. В работе исследовались потоки протонов с энергией от 0.6 до 9.1 МэВ на приэкваториальных широтах (-30:+30) по данным эксперимента PHOENIX-1 на борту ИСЗ S81-1 на высотах 170-290 км. Результаты изображены на рис 17. Как считают авторы, распределение потока в зависимости от широты можно считать гауссообразным с максимумом на -6. Однако, при построении широтной зависимости авторами были отобраны только возрастания потока протонов в области геомагнитной долготы от 180 до 185, что снижает достоверность такого вывода для всего долготного интервала.
Указание на то, что широтная зависимость имеет не один максимум, было дано в работе [48]. В ней анализировались результаты эксперимента СПРУТ-V, который проводился на борту орбитальной космической станции МИР в 1991 году. Прибором СПРУТ-V были зарегистрированы протоны с энергией более 100 кэВ вблизи геомагнитного экватора. События (пиковые значения потока) регистрировались на многих витках, и при этом вероятность регистрации составляла от 0.24 до 0.87. Авторами было получено распределение числа событий в зависимости от номера L-оболочки, представленное на рис 18. Как было отмечено авторами, область, где регистрируются низкоэнергичные протоны, разделена на две зоны - в северном и южном полушариях,
Зависимость от местного геомагнитного времени
Вопрос о возможной зависимости потока приэкваториальных протонов от географической долготы актуален в связи с необходимостью знать, являются ли частицы приэкваториального образования захваченными. Ясно, что если частицы при движении по дрейфовым оболочкам опускаются на высоты 100 км, велика вероятность их рассеяния в атмосфере. На исследуемых высотах порядка 200-1000 км на L 1.15 есть такие оболочки, у которых точки отражения находятся на низких высотах (в области к северу от ЮАА). Таким образом, если протоны захвачены и дрейфуют с востока на запад, то в области ЮАА их поток должен резко падать из-за рассеяния. С другой стороны, если источник протонов аксиально-симметричен (что действительно так - радиационный пояс в спокойное время охватывает все долготы), то при дрейфе протонов с востока на запад, должно происходить постепенное накапливание потока частиц к востоку от ЮАА.
Первое экспериментальное подтверждение этому эффекту было получено в работе [56]. Потоки протонов в области вблизи геомагнитного экватора исследовались по данным телескопа EI 88 на спутнике AZUR. Как сообщалось, потоки частиц наблюдались на тех L и В, для которых точки отражения находятся на высотах менее 100 км. Область максимальных потоков протонов наблюдалась вблизи экватора, и ее положение практически не зависело от минимальной высоты точки отражения. По данным [56] это образование занимает область геомагнитной широты ±15 по отношению к геомагнитному экватору. Было обнаружено возрастание потоков на долготах от 280 до 360. На всех остальных долготах поток был примерно постоянен и равен 7±1 частиц/(см2-ср), при усреднении по интервалу в 10.
На рис 29. продемонстрировано, что долготное распределение протонов на малых высотах должно быть неравномерным. Кривые, помеченные символом АХ, изображают путь в градусах долготы, который должен пройти протон с энергией, например, 800 кэВ при дрейфе, чтобы потерять 100 кэВ. В каждой точке плотность атмосферы на отрезке ДА. считалась постоянной.
К сожалению, непосредственные наблюдения потока протонов в области долгот вблизи ЮАА не проводилось по причине отсутствия у авторов данных, относящихся к этой области долгот. Кроме того, наблюдался некоторый недостаток экспериментальной информации о долготах 90-180. Недостающие данные были получены в следующих экспериментах. В эксперименте LICA на борту ИСЗ SAMPEX, были получены результаты о долготной зависимости потоков приэкваториальных протонов. Потоки протонов регистрировались полупроводниковым массспектрометром с помощью времяпролетной методики, которая позволяла определять тип частицы, ее заряд, энергию и направление прилета. В эксперименте регистрировались протоны с энергией от 770 кэВ до 8 МэВ [46, 50]. Эти результаты представлены на рис.30, где изображено количество зарегистрированных в эксперименте фактов возрастания потока протонов вблизи геомагнитного экватора. Как видно из рисунка, максимум числа возрастаний наблюдался недалеко от области ЮАА к западу от нее. На больших удалениях от ЮАА возрастания потока частиц наблюдались реже. На долготах 240-360 градусов возрастания не были обнаружены.
Эти наблюдения, однако, являются весьма грубыми с той точки зрения, что анализировалась не зависимость потока протонов от географической долготы, а лишь распределение числа зарегистрированных возрастаний потока при пересечении спутником области геомагнитного экватора. Данные о потоках протонов на L 1.15 были разбиты по долготам интервалами от 30 до 45 градусов и усреднены. Полученные зависимости потока протонов от долготы отображены на рис 31,32,33. По трем экспериментам подтверждено наличие провала (минимума потока) на долготах, соответствующих положению ЮАА. Однако, обнаружены некоторые отличия в форме распределений в различных экспериментах. К примеру, по данным TIROS-N для протонов с энергией около 30-80 кэВ наблюдается накопление потоков протонов к востоку от ЮАА, ту же зависимость для того же диапазона энергий показывает эксперимент на борту ИСЗ АКТИВНЫЙ, в то время как для энергии 80-2500 кэВ в эксперименте TIROS-N и для эксперимента LICA для энергии более 770 кэВ различие в величине потоков протонов к востоку и к западу от ЮАА незначительно. Следует отметить, что различие в форме долготной зависимости коррелирует с различием в энергии наблюдаемых протонов: низкоэнергичные (менее 100 кэВ) протоны накапливаются к востоку от ЮАА, высокоэнергичные (более 100 кэВ) протоны не накапливаются, либо это накопление незначительно по сравнению с другими эффектами. Таким образом, суммируя результаты экспериментов, можно выделить следующие особенности долготного распределения приэкваториальных протонов: подтверждено наличие провала (минимума потока) на долготах, соответствующих положению Южно-Атлантической Аномалии, провал наблюдается во всем диапазоне энергий от 30 до 2500 кэВ, протоны с энергиями менее 100 кэВ накапливаются к востоку от ЮАА, в отличие от более энергичных протонов. Такие особенности распределения потока протонов в зависимости от долготы согласуются с гипотезой, что протоны постоянно пополняются в результате процесса двойной перезарядки. В дальнейшем их поведение определяется потерями, которые частицы испытывают в атмосфере Земли.
Квазистационарное электрическое поле, КНЧ - ОНЧ волны и экваториальный электроджет
Одно из прямых подтверждений этой гипотезы представлено на рис 37. На нем изображены результаты регистрации протонов с энергией от 30 до 800 кэВ прибором MEPED на борту ИСЗ TIROS-N за период с 2 по 13 ноября 1978 года. Показаны измерения потока протонов на L 1.15 по сравнению с значениями индекса Dst за один и тот же промежуток времени. В этом интервале времени произошло как минимум три сильных возмущения геомагнитной активности. Во время первого возмущения минимум Dst (-47) был достигнут 8 ноября 1978 года в час ночи. Во время второго возмущения Dst достигло значения -62 в 21 час 10 ноября 1978 года. Третье, самое сильное возмущение (Dst достигло значения-93) достигло пика в 12 часов 12 ноября 1978 года.
По поведению частиц вблизи геомагнитного экватора можно сказать, что потоки низкоэнергичных протонов (до 80 кэВ) следуют изменению индекса Dst. Так, во время спада активности с 3 по 8 ноября, поток протонов монотонно спадал. Во время бурь 8, 10 и 12 ноября поток резко возрастал, после чего медленно спадал по мере приближения индекса геомагнитной активности к нулевому, невозмущенному значению. А потоки более энергичных протонов ( 80 кэВ) практически не меняются со временем.
Аналогичное исследование проводилось и по данным ИСЗ АКТИВНЫЙ. В этом эксперименте с помощью прибора SPE-1 регистрировались протоны с энергией от 30 до 550 кэВ в области геомагнитного экватора (L 1.15). Здесь приводятся данные за 1990 год, в течение которого спутник функционировал.
В верхней части рис. 38 представлены значения индекса Dst в течение рассматриваемого периода времени. За этот период, как видно из рисунка, произошло два очень сильных возмущения, в которых индекс Dst достигал значения до -250 и большое количество возмущений среднего уровня, в которых индекс Dst достигал значений от -50 до-100.
Большая часть измерений потока протонов вблизи экватора на ИСЗ АКТИВНЫЙ относится к спокойному времени, без возмущений, как показано в средней части рис. 38. Однако, видно, что в исследуемом массиве данных есть данные, относящиеся и к средним бурям (Dst от -50 до -100) и к очень сильным бурям (Dst меньше -100).
На основе данных по регистрации протонов в приэкваториальной области (L 1.15) была построена зависимость средней скорости счета протонов с энергией от 30 до 550 кэВ от индекса геомагнитной активности Dst. Эта зависимость показана внизу на рис 38. Как видно из этого распределения, потоки протонов присутствуют в области L 1.15 и в спокойное время, однако с ростом геомагнитной активности эти потоки растут. Это видно и из линии тренда, полученной из данного распределения методом наименьших квадратов. Протоны в приэкваториальной зоне пополняются не только за счет кольцевого тока, но и за счет радиационного пояса. Поэтому возможна корреляция потоков протонов вблизи геомагнитного экватора на малых высотах с потоками протонов в поясе как на средних, так и на высоких широтах. Один из индексов геомагнитной активности, который используется для характеристики активности на средних широтах - индекс Кр. Зависимость средней скорости счета протонов с энергией от 30 до 550 кэВ от индекса Кр показана на рис 39 по данным прибора SPE-1 на борту ИСЗ АКТИВНЫЙ. Из линии тренда, построенной с помощью метода наименьших квадратов, видно, что потоки приэкваториальных протонов растут с ростом индекса Кр, т.е. по мере увеличения уровня геомагнитной активности.
По данным прибора LICA на борту ИСЗ SAMPEX получены аналогичные результаты [46]. Они изображены на рис. 40. Здесь приведены данные о регистрации протонов в полупроводниковом детекторе (SSD) с энергией выше 770 кэВ в области геомагнитного экватора (область геомагнитной широты от -5 до +5) в сравнении с изменением показателя уровня геомагнитной активности Dst. Во время бури в середине рассматриваемого периода индекс Dst достиг значения —170. Видно, что поток протонов, зарегистрированный в детекторе, возрастает во время бури и спадает после нее.
Долговременные вариации потока протонов в приэкваториальной области за период с 1993 по 1999 год изучались в работе [46] по данным прибора LICA на борту ИСЗ SAMPEX. Результат представлен на рис 41. Видно, что абсолютный минимум потока протонов в приэкваториальной области приходится на 1996-1998 годы. Это очень похоже на изменение солнечной активности, связанное с 11-летним солнечным циклом. В этом цикле вблизи 1995-1997 годов наблюдается минимум активности (рис 42).
Потоки протонов с энергией от десятков кэВ до нескольких МэВ, наблюдаемые в приэкваториальной области на малых высотах, показывают сильную связь с областью кольцевого тока и радиационного пояса: Потоки протонов растут во время геомагнитных возмущений как во время отдельных бурь, так и в среднем при сравнении среднего потока с индексами геомагнитной активности Dst, Кр. Наиболее отчетливо возрастания проявляются для протонов с энергией до 100 кэВ, источником которых, по-видимому, является кольцевой ток. Экспериментальные данные указывают на существование долговременных вариаций протонов в приэкваториальной области, связанных с циклом солнечной активности. Полученные результаты позволяют сделать вывод о том, что радиационный пояс (для частиц с энергией выше 100 кэВ) и кольцевой ток (для частиц с энергией до 100 кэВ) являются основными источниками протонов в приэкваториальной области на малых высотах.
